JP3894279B2 - 光波長合分波回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信または光情報処理の分野で用いられる光波長合分波回路に関し、より詳細には、合分波特性が温度に依存しない光波長合分波回路、更に詳しくは、合分波特性が温度に依存しない、平面基板上に形成された光導波路により形成された光波長合分波回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン基板上に形成した石英系ガラス導波路によって構成されたプレーナ光波回路（ＰＬＣ）の研究開発が盛んに行われている。かかるＰＬＣにおいては、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）やアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）のように、複数光束の光の干渉を用いて波長合分波機能を実現している。
【０００３】
また、光波長分割多重通信システムにおいては、既存の波長チャネルの中間にそれぞれ新しい波長チャンネルを挿入し、波長チャネル数を倍増して通信容量を拡大する、いわゆるインターリーブ方式が注目されている。ＭＺＩは、複数の波長チャネルを周期的に２つのポートに分配する特性を有しており、特にＭＺＩを多段構成とすることで、平坦な波長透過帯域と広い波長阻止帯域を得られるため、かかる方式におけるインターリーブ用波長合分波回路としての使用が有望視されている。
【０００４】
ＭＺＩを用いたインターリーブ用波長合分波回路およびその多段構成について、詳しくは、K. Jinguji et al.,“Optical Half - Band Filters ”，J. of Lightwave Technol., vol. 18, no. 2, pp.252-259, 2000. および M．Oguma et al., “Flat - passband interleave filter with 200 GHz channel spacing based on planar lightwave circuit - type lattice structure ”，Electron. Lett., vol. 36, no. 15, pp.1299-1300,2000.に記載されている。
【０００５】
図１（ａ）は、多段構成ＭＺＩの回路構成図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）中のａ−ａ′線の拡大断面図を、３段構成ＭＺＩの場合を例に示した図である。図１（ａ），（ｂ）において、Ｓｉ基板１に、入出力導波路２〜５、アーム導波路６〜１１、方向性結合器１２〜１５、導波路コア１６、クラッド１７が設けられている。多段構成ＭＺＩのアーム導波路７に対するアーム導波路６の経路長差ΔＬ、アーム導波路９に対するアーム導波路８の経路長差およびアーム導波路１１に対するアーム導波路１０の経路長差を約２×ΔＬとし、方向性結合器１２〜１５の結合率を順に５０％、８５％、２３％、１％としたときの、多段構成ＭＺＩの透過スペクトル特性を図２に示す。
【０００６】
ここでの透過率はその最大値で規格化している。またここでは、入出力導波路２から光を入力し入出力導波路４から光を出力する場合をスルーポートとし、入出力導波路２から光を入力し入出力導波路５から光を出力する場合をクロスポートとしている。ただし、入出力導波路３から光を入力し入出力導波路５および４から光を出力する場合、入出力導波路４から光を入力し入出力導波路２および３から光を出力する場合、入出力導波路５から光を入力し入出力導波路３および２から光を出力する場合も同様の透過スペクトルを得る。
【０００７】
図２から、例示したこの多段構成ＭＺＩが、複数の波長チャネルを周期的に２つのポートに分配する特性を有し、かつ平坦な波長透過帯域と広い波長阻止帯域を実現していることがわかる。図２のクロスポートにおいて、透過率が最大となる波長λＣは次式で表される。
λＣ＝ｎ×ΔＬ／ｋ
ここで、ｎはアーム導波路の実効屈折率、ｋは自然数である。
ＭＺＩにおいては、より大きな消光比を得るために、複数のＭＺＩをカスケード状に接続するカスケード構成をとる場合がある。
【０００８】
図３は、カスケード構成にしたＭＺＩの回路構成を、３段構成ＭＺＩを２段カスケードにした場合を例に示す図である。図３において、Ｓｉ基板２１に、入出力導波路２２〜３３、接続導波路３４〜３５、アーム導波路３６〜５１、方向性結合器５２〜６３、が設けられている。カスケード前段の３段構成ＭＺＩの入出力導波路２４および２５は、接続導波路３４〜３５を介し、カスケード後段の２つの３段構成ＭＺＩにおける入出力導波路２７および３１にそれぞれ接続される。また、図３に例示した回路全体としては、入出力導波路２２，２３のいずれかを入力とし、入出力導波路２８，２９のいずれか、および入出力導波路３２，３３のいずれかを出力として使用する。このとき、カスケード前段の３段構成ＭＺＩと、カスケード後段の３段構成ＭＺＩは、両者の透過率が最大となる波長が一致するように設計されている。
【０００９】
ＭＺＩにおいては、式１のあるｎ×ΔＬが温度依存性を有するため、透過率が最大となる波長も温度依存性を有するが、そのアーム導波路の一部クラッドおよびコアを除去した溝を形成し、その溝に各導波路の実効屈折率の温度係数と異なる符号の屈折率温度係数を有する材料（以下、「温度補償材料」と記載する）を挿入することによって、透過波長の温度無依存化を実現できる。この方法について詳しくは、国際公開特許ＷＯ９８／３６２９９に記載されている。
【００１０】
図４（ａ）は、透過波長を温度無依存化したＭＺＩの構成の一例を示す図で、Ｓｉ基板７１に、入出力導波路７２〜７５、アーム導波路７６〜７７、方向性結合器７８〜７９、が設けられている。また長い側のアーム導波路７６を横切る溝８０が形成されており、溝８０には温度補償材料が充填されている。図４（ｂ）は溝を拡大した図で、ここでは溝部における光の損失を低減するため、溝８０は複数本の幅ｗの溝に分割され、ある間隔ｄをもって配置されている。
【００１１】
また、溝８０に充填する温度補償材料としては、特に、その屈折率温度係数ｄｎ′／ｄＴがアーム導波路の実効屈折率温度係数ｄｎ／ｄＴと異符号であり、｜ｄｎ′／ｄＴ｜が｜ｄｎ／ｄＴ｜に比較して十分大きいような温度補償材料が好ましく、このような条件の温度補償材料としては、例えばシリコーン樹脂があり、（ｄｎ′／ｄＴ）〜−４０×（ｄｎ／ｄＴ）である。
【００１２】
また、多段構成にしたＭＺＩにおいては、各段の長い側のアーム導波路上の一部に溝を形成し、そこに温度補償材料を挿入することによって、透過波長の温度無依存化を実現することができる。
【００１３】
一方、プレーナ光波回路では、導波路の比屈折率差を大きくすることにより、導波路の曲線部分の曲率半径を小さくすることが可能であり、これによって回路の小型化が実現する。高比屈折率差導波路およびその適用に関して、詳しくは、S.Sizuki et al., High-Density Integrated Planar Lightwave Circuits Using SiO２-GeO２ Waveguides with a High Refractive Index Difference, J.Lighntwave Technol., vol. 12, no. 5, pp. 790-796, 1994 に記載されている。ＭＺＩに関しても、高比屈折率差導波路の適用によって回路の小型化が実現できる。
【００１４】
ＭＺＩ、特に多段構成にしたＭＺＩやそのカスケード構成では、回路の構成上そのサイズが大きくなるため、高比屈折率差導波路の適用による小型化が求められている。また、インターリーブ用波長合分波回路としてのモジュール全体の小型化、および低コスト化という観点からすれば、高比屈折率差導波路の適用による回路の小型化のみならず、透過波長を温度無依存化する技術の適用による温度コントロールの削除が非常に望まれる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ＭＺＩを用いたインターリーブ用波長合分波回路において、透過波長の温度無依存化を実現することは、非常に重要である。しかしながら、ＭＺＩのアーム導波路上に形成され、温度補償材料を挿入した溝においては、主として放射損失などから過剰損失が生じ、これはＭＺＩの損失特性の劣化を招く。まして多段構成にしたＭＺＩやそのカスケード接続構成の回路においては、溝を形成し温度補償材料を挿入すべきアーム導波路の数も増加するため、回路全体の損失特性も大きく劣化することが懸念される。さらには、回路の小型化のために高比屈折率差導波路を用いた場合には、溝における放射損失は通常の比屈折率差導波路に比べて大きくなり、損失特性の劣化は益々著しくなる。
【００１６】
例えば、透過波長の繰り返し周期が０．８ｎｍであるようなＭＺＩでは、アーム導波路の経路長差は２ｍｍ以上であり、このときアーム導波路に形成すべき溝の幅は合計で５０μｍ程度になる。溝を幅約１０μｍの溝５本に分割したとき、この溝部分における過剰損失は、比屈折率差０．７５％の導波路の場合で約０．３ｄＢ、比屈折率差１．５％の導波路の場合では約０．７ｄＢとなる。１つのアーム導波路に形成した溝における過剰損失がかかる数値であるから、多段構成ＭＺＩやそのカスケード接続を行った回路においては、さらに大きな過剰損失が生じることになる。すなわち、ＭＺＩを用いたインターリーブ用波長合分波回路において、ＭＺＩの多段構成による透過帯域の平坦化と阻止帯域の拡大、カスケード接続構成による高消光比化、あるいは高比屈折率差導波路の適用による回路小型化を行った場合、透過波長の温度無依存化を実用的な損失特性で実現することは困難である。このことは、実用的かつ高性能なインターリーブ用波長合分波回路を提供する上での妨げとなっていた。
【００１７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、アーム導波路の一部を除去した溝に温度補償材料を挿入し、透過波長の温度無依存化を図ったＭＺＩ回路において、ＭＺＩの多段構成やカスケード接続構成の適用、あるいは高比屈折率差導波路の適用による回路の高性能化を図りながらも、溝の形成に起因する回路の損失特性の劣化を抑制し、実用十分な特性を有するインターリーブ用の光波長合分波回路を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、１本の入力光導波路（１２３）から２本の出力光導波路（１２６，１２７）へ光を分岐する第１の光カプラ（１３２）を１個と、２本の入力光導波路（光カプラ１３３に対して１２６，１２７、光カプラ１３４に対して１２８，１２９、光カプラ１３５に対して１３０，１３１）から２本の出力光導波路（光カプラ１３３に対して１２８，１２９、光カプラ１３４に対して１３０，１３１、光カプラ１３５に対して１２４，１２５）へ光を合流分岐する第２の光カプラ（１３３，１３４，１３５）をＮ（Ｎは３以上の自然数）個、および長さの異なる２本の光導波路を１対とする光導波路対をＮ対具備し、前記第１の光カプラに、前記Ｎ対の光導波路対および前記Ｎ個の第２の光カプラが交互に接続され、前記第１の光カプラの入力光導波路を入力ポート（１４２）とし、前記第２の光カプラのうち端部に接続された光カプラの出力導波路を出力ポート（１４３，１４４）とした構成を用い、１つの入力ポートから入力された複数の波長の異なる信号光を周期的に２つの出力ポートに分波するインターリーブ用の光波長合分波回路であって、前記光導波路対が、クラッド（１７）およびコア（１６）からなる光導波路より構成されており、該光導波路対の光路長差のみにより所望の位相差が設定され、更に該光導波路対のうち少なくとも１対において、長い側の光導波路からクラッドの一部およびコアの一部を除去したことにより溝（１３６，１３７，１３８）が形成されているとともに、該溝には、前記光導波路の実効屈折率の温度係数と異なる符合の屈折率温度係数を有する材料が充填されることによって透過波長の温度無依存化がなされ、かつ、前記第１の光カプラにおいて、入力光導波路から、該光カプラに接続された光導波路対のうち長い側の光導波路へ分岐される光強度比が、５０％より小さいことを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記Ｎ対の光導波路対のうち、端部の第２の光カプラに接続される光導波路対の経路長差がΔＬであり、その他の前記Ｎ対の光導波路対の経路長差が２×ΔＬであり、前記Ｎが３であることを特徴とするものである。
【００１９】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光波長合分波回路を前段の光波長合分波回路とし、１本の入力光導波路（１８２）から２本の出力光導波路（１８５，１８６）へ光を分岐する第１の光カプラ（１９１）を１個と、２本の入力光導波路（１８５と１８６，１８７と１８８，１８９と１９０）から２本の出力光導波路（１８７と１８８，１８９と１９０，１８３と１８４）へ光を合流分岐する第２の光カプラ（１９２，１９３，１９４）をＭ（Ｍは３以上の自然数）個、および長さの異なる２本の光導波路を１対とする光導波路対をＭ対具備し、前記第１の光カプラに、前記Ｍ対の光導波路対および前記Ｍ個の第２の光カプラが交互に接続され、前記第１の光カプラの入力光導波路（１８２）を入力ポートとし、前記第２の光カプラのうち端部に接続された光カプラにおける２本の出力導波路（１８３，１８４）のいずれかを出力ポートとした構成を用い、該入力ポートから該出力ポートへの波長透過特性が前記前段の光波長合分波回路における２つの出力ポート（１６３，１６４）の一方に対応した波長選択性を有する第１の光波長フィルタ（１５３）、および第１の光波長フィルタと同様の構成を用い、入力ポートから出力ポートへの波長透過特性が前記前段の光波長合分波回路における２つの出力ポートの他方に対応した波長選択性を有する第２の光波長フィルタ（１５４）を具備し、前記第１および第２の光波長フィルタの入力ポート（１８２，２０２）を前記前段の光波長合分波回路における２つの出力ポート（１６３，１６４）それぞれに、該前段の光波長合分波回路と該第１および第２の光波長フィルタの波長選択性が対応するように組み合わせて接続し、該前段の光波長合分波回路の入力ポートを回路全体の入力ポート（２３４）とし、該第１および第２の光波長フィルタそれぞれの出力ポートを回路全体の出力ポート（２３５，２３６）としたことを特徴とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記Ｍ対の光導波路対のうち、端部の第２の光カプラに接続される光導波路対の経路長差がΔＬであり、その他の前記Ｍ対の光導波路対の経路長差が２×ΔＬであり、前記Ｍが３であることを特徴とするものである。
【００２０】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光波長合分波回路を前段の光波長合分波回路とし、請求項３又は４に記載の光波長合分波回路を構成する第１および第２の光波長フィルタの少なくとも一方を複数具備し、該複数の第１あるいは第２の光波長フィルタを、前記前段の光波長合分波回路における２つの出力ポートの後段に直列に接続し、該前段の光波長合分波回路の入力ポートを回路全体の入力ポートとし、該前段の光波長合分波回路における出力ポートの後段に直列に接続された第１あるいは第２の光波長フィルタのうち、最も後段の第１あるいは第２の光波長フィルタそれぞれの出力ポートを回路全体の出力ポートとしたことを特徴とするものである。
【００２１】
また、請求項６に記載の発明は、請求項３又は５に記載の発明において、前記単一もしくは複数の第１の光波長フィルタ、および単一もしくは複数の第２の光波長フィルタにおいて、少なくとも１つの光波長フィルタを、入力ポートと出力ポートを入れ替えて接続したことを特徴とするものである。
【００２２】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６いずれかに記載の発明において、前記１つの入力ポートを１つの出力ポートとし、前記２つの出力ポートを２つの入力ポートとした構成を用い、２つの入力ポートから入力された複数の波長の異なる信号光を周期的に１つの出力ポートに合波することを特徴とするものである。
【００２３】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７いずれかに記載の発明において、前記クラッドおよび前記コアが、石英系ガラスからなることを特徴とするものである。
【００２４】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８いずれかに記載の発明において、前記クラッドおよび前記コアが平面基板上に形成され、かつ、前記光導波路および光カプラが、単一もしくは複数の平面基板上に集積されていることを特徴とするものである。
【００２５】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至９いずれかに記載の発明において、前記第１および第２の光カプラが方向性結合器あるいはマルチモード干渉計であることを特徴とするものである。
【００２６】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０いずれかに記載の発明において、前記溝に挿入した材料が有機物であることを特徴とするものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
具体的な実施例について説明する前に、図５に示した波長合分波回路を用いて本発明の原理について説明する。図５は、長さの異なる２本の導波路を一対とする導波路対２対と、その導波路対を構成する２本の導波路を分岐あるいは合流する３つの光カプラを多連に組み合わせた２段構成ＭＺＩを示した図で、多段構成ＭＺＩによる光波長合分波回路では最も基本的な構成図である。
【００２８】
２対の導波路対１０５と１０６、１０７と１０８と、ある２本の導波路を異なる２本の導波路へ分岐あるいは合流する３個の光カプラ１０９〜１１１が交互に接続され、また端部の光カプラ１０９および１１１には入出力のための導波路１０１〜１０４が接続され、前記２対の導波路対を構成する２本の導波路において、長い側である２本の導波路１０５，１０７の途中に、温度補償材料が溝１１２，１１３にて挿入されている。
【００２９】
ここで、端部に位置する光カプラ１０９において、互いに対角に位置する導波路１０１と１０６、１０２と１０５へ分岐される光強度の割合（以下、「分岐比」と記載する）が５０％より小さい場合を仮定する。このとき導波路１０１より入力された光は、導波路１０６よりも導波路１０５側に多くの割合で分岐し、導波路１０２より入力された光は、導波路１０５よりも導波路１０６側に多くの割合で分岐するため、導波路１０１よりも導波路１０２から光を入力する構成の方が溝１１２における過剰損失の影響を受けにくい。この傾向は光カプラ１０９の分岐比が０％に近い条件ほど顕著である。
【００３０】
他方、導波路１０３あるいは１０４から光を入力する場合、導波路１０１に出力される光は、導波路１０６よりも導波路１０５側から多くの割合で合流し、導波路１０２に出力される光は、導波路１０５よりも導波路１０６側から多くの割合で合流するため、導波路１０１よりも導波路１０２から出力される光の方が溝１１２における過剰損失の影響を受けにくく、両導波路からの出力には損失差が生じる。この傾向は光カプラ１０９の分岐比が０％に近い条件ほど顕著である。
【００３１】
またここで、端部に位置する光カプラ１０９において、分岐比が５０％より大きい場合を仮定する。このとき図５に示した光波長合分波回路は、導波路１０１と１０２に関して前述の仮定とは対称的な回路となるから、このとき導波路１０１あるいは１０２からの光入力においては、導波路１０２よりも導波路１０１から入力する構成のほうが溝１１２における過剰損失の影響を受けにくい。また、導波路１０３あるいは１０４からの光入力においては、導波路１０２よりも導波路１０１から出力される光のほうが溝１１２における過剰損失の影響を受けにくく、やはり両導波路からの出力には損失差が生じる。
【００３２】
上述した２つの仮定を考慮するに、図５に示すような光波長合分波回路において、端部に位置する光カプラ１０９の分岐比が５０％とは異なる場合、かかる分岐比が５０％より小さい場合には導波路１０２を入力ポート、１０３および１０４を出力ポートに限定するような構成とし、分岐比が５０％より大きい場合には導波路１０１を入力ポート、１０３および１０４を出力ポートに限定するような構成をとることにより、溝部における過剰損失の影響が小さく、かつ２つの出力間の損失差が小さい波長分波回路となる。また上述したポートを限定するような構成の回路は、光入出力方向を逆にとることによって、溝部における過剰損失の影響が小さく、かつ２つの出力間の損失差が小さい光波長合波回路となる。
【００３３】
以下、上述した本発明の原理に従って実施例について説明する。
【００３４】
［実施例１］
図６は、本発明の光波長合分波回路の第１実施例を説明するための図で、３段構成ＭＺＩを使用し、透過波長を温度無依存化した光波長合分波回路の回路構成図である。Ｓｉ基板１２１に、導波路１２２〜１２５、アーム導波路１２６〜１３１、方向性結合器１３２〜１３５、溝部１３６〜１３８が設けられている。各導波路は、比屈折率差１．５％、断面が４．５μｍ四方の方形導波路とし、アーム導波路１２７に対する１２６の経路長差およびアーム導波路１２９に対する１２８の経路長差を４０１１μｍ、アーム導波路１３１に対する１３０の経路長差を２００５μｍとした。また、方向性結合器１３２〜１３５の結合率は、順に１％、２３％、８５％、５０％とした。
【００３５】
溝部１３６〜１３７はフォトリソグラフィおよび反応性エッチングによって形成された後にシリコーン樹脂が充填されており、溝部１３６，１３７は幅１０μｍの溝を１０本、溝部１３８幅１０μｍの溝を５本、溝間隔４０μｍで配列することで構成した。端部に位置する光カプラの分岐比、すなわち方向性結合器１３２の結合率が１％であるから、本発明の原理に従って導波路１２３，１２４および１２５に入出力光ファイバ１４２，１４３および１４４を光ファイバブロック１３９，１４０および１４１を介して接続した構成となっている。
【００３６】
図６に示した光波長合分波回路において、溝部１３６〜１３８で生じる過剰損失は、それぞれ１．１ｄＢ、１．１ｄＢ、０．７ｄＢであったが、光ファイバ１４２に入力し、光ファイバ１４３ならびに１４４に出力される光の、溝部１３６〜１３８の影響による損失は、共にわずか０．５ｄＢに過ぎなかった。
【００３７】
［実施例２］
図７は、本発明の光波長合分波回路の第２実施例を説明するための図で、３段構成ＭＺＩを２段カスケード接続構成にし、透過波長を温度無依存化した光波長合分波回路の回路構成図である。Ｓｉ基板１５１上にカスケード前段の第１の多段構成ＭＺＩ１５２、カスケード後段の第２の多段構成ＭＺＩ１５３、およびカスケード後段の第３の多段構成ＭＺＩ１５４が設けられている。基板上すべての導波路においては、比屈折率差１．５％、断面が４．５μｍ四方の方形導波路とした。第１の多段構成ＭＺＩ１５２は、導波路１６１〜１６４、アーム導波路１６５〜１７０、方向性結合器１７１〜１７４、溝部１７５〜１７７が構成される。アーム導波路１６６に対する１６５の経路長差およびアーム導波路１６８に対する１６７の経路長差を４０１１μｍ、アーム導波路１７０に対する１６９の経路長差を２００５μｍとした。また、方向性結合器１７１〜１７４の結合率は、順に１％、２３％、８５％、５０％とした。
【００３８】
溝部１７５，１７６は幅１０μｍの溝を１０本、溝部１７７は幅１０μｍの溝を５本、溝間隔４０μｍで配列することで構成され、それぞれにシリコーン樹脂が充填されている。第２の多段構成ＭＺＩ１５３は、導波路１８１〜１８４、アーム導波路１８５〜１９０、方向性結合器１９１〜１９４、溝部１９５〜１９７が構成される。第２の多段構成ＭＺＩ１５３においては、アーム導波路経路長差、方向性結合器の結合率、溝部の構造は、第１の多段構成ＭＺＩ１５２と同様とした。第３の多段構成ＭＺＩ１５４は、導波路２０１〜２０４、アーム導波路２０５〜２１０、方向性結合器２１１〜２１４、溝部２１５〜２１７が構成される。第３の多段構成ＭＺＩ１５４においては、アーム導波路の経路長差、方向性結合器の結合率、溝部の構造は、第１および第２の多段構成ＭＺＩ１５２，１５３と同様とした。
【００３９】
本発明の原理に従って、第１の多段構成ＭＺＩ１５２においては、導波路１６２，１６３および１６４を入出力ポートとした構成をとり、導波路１６２に入出力光ファイバ２３４を、光ファイバブロック２３１を介して接続した。第２の多段構成ＭＺＩ１５３においては、導波路１８２および１８３を入出力ポートとした構成をとり、導波路１８３に入出力光ファイバ２３５を、光ファイバブロック２３２を介して接続し、導波路１８２は導波路２２１を介して第１の多段構成ＭＺＩ１５２の導波路１６３と接続した。第３の多段構成ＭＺＩ１５４においては、導波路２０２および２０４を入出力ポートとした構成をとり、導波路２０４に入出力光ファイバ２３６を、光ファイバブロック２３３を介して接続し、導波路２０２は導波路２２２を介して第１の多段構成ＭＺＩ１５２の導波路１６４と接続した。
【００４０】
図７に示した光波長合分波回路において、溝部１７５，１７６，１９５，１９６，２１５，２１６の各々で生じる過剰損失は、１．１ｄＢ、溝部１７５，１７６，１９５，１９６，２１５，２１６の各々で生じる過剰損失は０．７ｄＢであったが、光ファイバ２３４に入力し、光ファイバ２３５ならびに２３６に出力される光の、溝部の影響による損失は、共にわずか１．０ｄＢに過ぎなかった。
【００４１】
以上２つの実施例から、本発明の光波長合分波回路では、少なくとも１つ以上の導波路上に形成した溝に温度補償材料を挿入し、透過波長の温度無依存化を図りながらも、回路の損失特性の劣化が小さいことが確認された。この結果本発明により、小型でかつ良好な合分波特性を有し、透過波長が温度に無依存でありながらも、かかる温度無依存化に起因する損失特性の劣化が小さい、実用十分な特性を有するインターリーブ用波長合分波回路を得ることが可能である。
【００４２】
２つの実施例では、光波長合分波回路の光入出力を光ファイバとする構成としたが、本発明の適用範囲はこの限りではなく、本発明の光波長合分波回路の入出力と接続されるべき少なくとも１つ以上の他の光導波回路を、本発明の光波長合分波回路と同一基板上に集積しても良い。また、本発明の光波長合分波回路、およびその入出力と接続されるべき少なくとも１つ以上の他の光導波回路を独立に作製し、適当な接着材を介して基板を接合することで回路を接続してもよい。
【００４３】
２つの実施例では、光波長合分波回路を構成する多段構成ＭＺＩの段数を３段に限定したが、本発明の適用範囲は、この段数に限定されるものではない、また実施例２では多段構成ＭＺＩを多段カスケード構成とする段数を２段に限定したが、本発明の適用範囲はこの段数に限定されるものではない。
【００４４】
実施例２では、カスケード前段の多段構成ＭＺＩ、およびカスケード後段の２つの多段構成ＭＺＩにおける、段数ならびに設計パラメーターを同一としたが、本発明の適用範囲はこの限りでなく、段数あるいは設計パラメーターは、必ずしも同一である必要はない。
【００４５】
実施例２では、第２の多段構成ＭＺＩ１５３において、導波路１８２を第１の多段構成ＭＺＩ１５２と接続し導波路１８３を光波長合分波回路の入出力として光ファイバに接続したが、本発明の適用範囲はこの限りでなく、導波路１８３を第１の多段構成ＭＺＩ１５２と接続し導波路１８２を光波長合分波回路の入出力としてもよいことは、受動的光回路の性質より明らかである。また、第２の多段構成ＭＺＩ１５３の入出力としては、導波路１８２と導波路１８３の組み合わせを用いる構成としたが、これを導波路１８２と導波路１８４の組み合わせとしても良いことは、本発明の原理から明らかである。さらに以上に述べた第２の多段構成ＭＺＩ１５３に関する構成の可変性は、第３の多段構成ＭＺＩ１５４に関しても全く当てはまることである。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、少なくとも１つ以上の導波路上に形成した溝に温度補償材料を挿入し、透過波長の温度無依存化を図りながらも、かかる回路の損失特性の劣化を小さく抑えることができ、実用十分な特性を有する光波長合分波回路を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、従来の多段構成ＭＺＩの回路構成図で、（ｂ）は、（ａ）におけるａ−ａ′線の断面図である。
【図２】図１（ａ）の多段構成ＭＺＩでの透過スペクトルの一例を示す図である。
【図３】従来のカスケード構成にしたＭＺＩの回路構成図である。
【図４】（ａ）は、透過波長の温度無依存化する従来技術を適用したＭＺＩの構成図で、（ｂ）は、（ａ）における溝部分の拡大図である。
【図５】本発明の光波長合分波回路の原理を説明するための構成図である。
【図６】本発明の光波長合分波回路の第１実施例を示す図である。
【図７】本発明の光波長合分波回路の第２実施例を示す図である。
【符号の説明】
１，２１，７１，１２１，１５１ Ｓｉ基板
２〜５，２２〜３３，６４，６５，７２〜７５，１０１〜１０４，１２２〜１２５，１６１〜１６４，１８１〜１８４，２０１〜２０４，２１１，２２２ 導波路
６〜１１，３４〜５１，７６，７７，１０５〜１０８，１２６〜１３１，１６５〜１７０，１８５〜１９０，２０５〜２１０ アーム導波路
１０９〜１１１ 光カプラ
１２〜１５，５２〜６３，７８，７９，１３２〜１３５，１７１〜１７４，１９１〜１９４，２１１〜２１４ 方向性結合器
１６ 導波路コア
１７ クラッド
８０，１１２，１１３，１３６〜１３８，１７５〜１７７，１９５〜１９７，２１５〜２１７ 溝
１３９〜１４１，２３１〜２３３ ファイバブロック
１４２〜１４４，２３４〜２３６ 光ファイバ
１５２〜１５４ 多段構成ＭＺＩ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信または光情報処理の分野で用いられる光波長合分波回路に関し、より詳細には、合分波特性が温度に依存しない光波長合分波回路、更に詳しくは、合分波特性が温度に依存しない、平面基板上に形成された光導波路により形成された光波長合分波回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン基板上に形成した石英系ガラス導波路によって構成されたプレーナ光波回路（ＰＬＣ）の研究開発が盛んに行われている。かかるＰＬＣにおいては、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）やアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）のように、複数光束の光の干渉を用いて波長合分波機能を実現している。
【０００３】
また、光波長分割多重通信システムにおいては、既存の波長チャネルの中間にそれぞれ新しい波長チャンネルを挿入し、波長チャネル数を倍増して通信容量を拡大する、いわゆるインターリーブ方式が注目されている。ＭＺＩは、複数の波長チャネルを周期的に２つのポートに分配する特性を有しており、特にＭＺＩを多段構成とすることで、平坦な波長透過帯域と広い波長阻止帯域を得られるため、かかる方式におけるインターリーブ用波長合分波回路としての使用が有望視されている。
【０００４】
ＭＺＩを用いたインターリーブ用波長合分波回路およびその多段構成について、詳しくは、K. Jinguji et al.,“Optical Half - Band Filters ”，J. of Lightwave Technol., vol. 18, no. 2, pp.252-259, 2000. および M．Oguma et al., “Flat - passband interleave filter with 200 GHz channel spacing based on planar lightwave circuit - type lattice structure ”，Electron. Lett., vol. 36, no. 15, pp.1299-1300,2000.に記載されている。
【０００５】
図１（ａ）は、多段構成ＭＺＩの回路構成図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）中のａ−ａ′線の拡大断面図を、３段構成ＭＺＩの場合を例に示した図である。図１（ａ），（ｂ）において、Ｓｉ基板１に、入出力導波路２〜５、アーム導波路６〜１１、方向性結合器１２〜１５、導波路コア１６、クラッド１７が設けられている。多段構成ＭＺＩのアーム導波路７に対するアーム導波路６の経路長差ΔＬ、アーム導波路９に対するアーム導波路８の経路長差およびアーム導波路１１に対するアーム導波路１０の経路長差を約２×ΔＬとし、方向性結合器１２〜１５の結合率を順に５０％、８５％、２３％、１％としたときの、多段構成ＭＺＩの透過スペクトル特性を図２に示す。
【０００６】
ここでの透過率はその最大値で規格化している。またここでは、入出力導波路２から光を入力し入出力導波路４から光を出力する場合をスルーポートとし、入出力導波路２から光を入力し入出力導波路５から光を出力する場合をクロスポートとしている。ただし、入出力導波路３から光を入力し入出力導波路５および４から光を出力する場合、入出力導波路４から光を入力し入出力導波路２および３から光を出力する場合、入出力導波路５から光を入力し入出力導波路３および２から光を出力する場合も同様の透過スペクトルを得る。
【０００７】
図２から、例示したこの多段構成ＭＺＩが、複数の波長チャネルを周期的に２つのポートに分配する特性を有し、かつ平坦な波長透過帯域と広い波長阻止帯域を実現していることがわかる。図２のクロスポートにおいて、透過率が最大となる波長λＣは次式で表される。
λＣ＝ｎ×ΔＬ／ｋ
ここで、ｎはアーム導波路の実効屈折率、ｋは自然数である。
ＭＺＩにおいては、より大きな消光比を得るために、複数のＭＺＩをカスケード状に接続するカスケード構成をとる場合がある。
【０００８】
図３は、カスケード構成にしたＭＺＩの回路構成を、３段構成ＭＺＩを２段カスケードにした場合を例に示す図である。図３において、Ｓｉ基板２１に、入出力導波路２２〜３３、接続導波路３４〜３５、アーム導波路３６〜５１、方向性結合器５２〜６３、が設けられている。カスケード前段の３段構成ＭＺＩの入出力導波路２４および２５は、接続導波路３４〜３５を介し、カスケード後段の２つの３段構成ＭＺＩにおける入出力導波路２７および３１にそれぞれ接続される。また、図３に例示した回路全体としては、入出力導波路２２，２３のいずれかを入力とし、入出力導波路２８，２９のいずれか、および入出力導波路３２，３３のいずれかを出力として使用する。このとき、カスケード前段の３段構成ＭＺＩと、カスケード後段の３段構成ＭＺＩは、両者の透過率が最大となる波長が一致するように設計されている。
【０００９】
ＭＺＩにおいては、式１のあるｎ×ΔＬが温度依存性を有するため、透過率が最大となる波長も温度依存性を有するが、そのアーム導波路の一部クラッドおよびコアを除去した溝を形成し、その溝に各導波路の実効屈折率の温度係数と異なる符号の屈折率温度係数を有する材料（以下、「温度補償材料」と記載する）を挿入することによって、透過波長の温度無依存化を実現できる。この方法について詳しくは、国際公開特許ＷＯ９８／３６２９９に記載されている。
【００１０】
図４（ａ）は、透過波長を温度無依存化したＭＺＩの構成の一例を示す図で、Ｓｉ基板７１に、入出力導波路７２〜７５、アーム導波路７６〜７７、方向性結合器７８〜７９、が設けられている。また長い側のアーム導波路７６を横切る溝８０が形成されており、溝８０には温度補償材料が充填されている。図４（ｂ）は溝を拡大した図で、ここでは溝部における光の損失を低減するため、溝８０は複数本の幅ｗの溝に分割され、ある間隔ｄをもって配置されている。
【００１１】
また、溝８０に充填する温度補償材料としては、特に、その屈折率温度係数ｄｎ′／ｄＴがアーム導波路の実効屈折率温度係数ｄｎ／ｄＴと異符号であり、｜ｄｎ′／ｄＴ｜が｜ｄｎ／ｄＴ｜に比較して十分大きいような温度補償材料が好ましく、このような条件の温度補償材料としては、例えばシリコーン樹脂があり、（ｄｎ′／ｄＴ）〜−４０×（ｄｎ／ｄＴ）である。
【００１２】
また、多段構成にしたＭＺＩにおいては、各段の長い側のアーム導波路上の一部に溝を形成し、そこに温度補償材料を挿入することによって、透過波長の温度無依存化を実現することができる。
【００１３】
一方、プレーナ光波回路では、導波路の比屈折率差を大きくすることにより、導波路の曲線部分の曲率半径を小さくすることが可能であり、これによって回路の小型化が実現する。高比屈折率差導波路およびその適用に関して、詳しくは、S.Sizuki et al., High-Density Integrated Planar Lightwave Circuits Using SiO２-GeO２ Waveguides with a High Refractive Index Difference, J.Lighntwave Technol., vol. 12, no. 5, pp. 790-796, 1994 に記載されている。ＭＺＩに関しても、高比屈折率差導波路の適用によって回路の小型化が実現できる。
【００１４】
ＭＺＩ、特に多段構成にしたＭＺＩやそのカスケード構成では、回路の構成上そのサイズが大きくなるため、高比屈折率差導波路の適用による小型化が求められている。また、インターリーブ用波長合分波回路としてのモジュール全体の小型化、および低コスト化という観点からすれば、高比屈折率差導波路の適用による回路の小型化のみならず、透過波長を温度無依存化する技術の適用による温度コントロールの削除が非常に望まれる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ＭＺＩを用いたインターリーブ用波長合分波回路において、透過波長の温度無依存化を実現することは、非常に重要である。しかしながら、ＭＺＩのアーム導波路上に形成され、温度補償材料を挿入した溝においては、主として放射損失などから過剰損失が生じ、これはＭＺＩの損失特性の劣化を招く。まして多段構成にしたＭＺＩやそのカスケード接続構成の回路においては、溝を形成し温度補償材料を挿入すべきアーム導波路の数も増加するため、回路全体の損失特性も大きく劣化することが懸念される。さらには、回路の小型化のために高比屈折率差導波路を用いた場合には、溝における放射損失は通常の比屈折率差導波路に比べて大きくなり、損失特性の劣化は益々著しくなる。
【００１６】
例えば、透過波長の繰り返し周期が０．８ｎｍであるようなＭＺＩでは、アーム導波路の経路長差は２ｍｍ以上であり、このときアーム導波路に形成すべき溝の幅は合計で５０μｍ程度になる。溝を幅約１０μｍの溝５本に分割したとき、この溝部分における過剰損失は、比屈折率差０．７５％の導波路の場合で約０．３ｄＢ、比屈折率差１．５％の導波路の場合では約０．７ｄＢとなる。１つのアーム導波路に形成した溝における過剰損失がかかる数値であるから、多段構成ＭＺＩやそのカスケード接続を行った回路においては、さらに大きな過剰損失が生じることになる。すなわち、ＭＺＩを用いたインターリーブ用波長合分波回路において、ＭＺＩの多段構成による透過帯域の平坦化と阻止帯域の拡大、カスケード接続構成による高消光比化、あるいは高比屈折率差導波路の適用による回路小型化を行った場合、透過波長の温度無依存化を実用的な損失特性で実現することは困難である。このことは、実用的かつ高性能なインターリーブ用波長合分波回路を提供する上での妨げとなっていた。
【００１７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、アーム導波路の一部を除去した溝に温度補償材料を挿入し、透過波長の温度無依存化を図ったＭＺＩ回路において、ＭＺＩの多段構成やカスケード接続構成の適用、あるいは高比屈折率差導波路の適用による回路の高性能化を図りながらも、溝の形成に起因する回路の損失特性の劣化を抑制し、実用十分な特性を有するインターリーブ用の光波長合分波回路を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、１本の入力光導波路（１２３）から２本の出力光導波路（１２６，１２７）へ光を分岐する第１の光カプラ（１３２）を１個と、２本の入力光導波路（光カプラ１３３に対して１２６，１２７、光カプラ１３４に対して１２８，１２９、光カプラ１３５に対して１３０，１３１）から２本の出力光導波路（光カプラ１３３に対して１２８，１２９、光カプラ１３４に対して１３０，１３１、光カプラ１３５に対して１２４，１２５）へ光を合流分岐する第２の光カプラ（１３３，１３４，１３５）をＮ（Ｎは３以上の自然数）個、および長さの異なる２本の光導波路を１対とする光導波路対をＮ対具備し、前記第１の光カプラに、前記Ｎ対の光導波路対および前記Ｎ個の第２の光カプラが交互に接続され、前記第１の光カプラの入力光導波路を入力ポート（１４２）とし、前記第２の光カプラのうち端部に接続された光カプラの出力導波路を出力ポート（１４３，１４４）とした構成を用い、１つの入力ポートから入力された複数の波長の異なる信号光を周期的に２つの出力ポートに分波するインターリーブ用の光波長合分波回路であって、前記光導波路対が、クラッド（１７）およびコア（１６）からなる光導波路より構成されており、該光導波路対の光路長差のみにより所望の位相差が設定され、更に該光導波路対のうち少なくとも１対において、長い側の光導波路からクラッドの一部およびコアの一部を除去したことにより溝（１３６，１３７，１３８）が形成されているとともに、該溝には、前記光導波路の実効屈折率の温度係数と異なる符合の屈折率温度係数を有する材料が充填されることによって透過波長の温度無依存化がなされ、かつ、前記第１の光カプラにおいて、入力光導波路から、該光カプラに接続された光導波路対のうち長い側の光導波路へ分岐される光強度比が、５０％より小さいことを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記Ｎ対の光導波路対のうち、端部の第２の光カプラに接続される光導波路対の経路長差がΔＬであり、その他の前記Ｎ対の光導波路対の経路長差が２×ΔＬであり、前記Ｎが３であることを特徴とするものである。
【００１９】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光波長合分波回路を前段の光波長合分波回路とし、１本の入力光導波路（１８２）から２本の出力光導波路（１８５，１８６）へ光を分岐する第１の光カプラ（１９１）を１個と、２本の入力光導波路（１８５と１８６，１８７と１８８，１８９と１９０）から２本の出力光導波路（１８７と１８８，１８９と１９０，１８３と１８４）へ光を合流分岐する第２の光カプラ（１９２，１９３，１９４）をＭ（Ｍは３以上の自然数）個、および長さの異なる２本の光導波路を１対とする光導波路対をＭ対具備し、前記第１の光カプラに、前記Ｍ対の光導波路対および前記Ｍ個の第２の光カプラが交互に接続され、前記第１の光カプラの入力光導波路（１８２）を入力ポートとし、前記第２の光カプラのうち端部に接続された光カプラにおける２本の出力導波路（１８３，１８４）のいずれかを出力ポートとした構成を用い、該入力ポートから該出力ポートへの波長透過特性が前記前段の光波長合分波回路における２つの出力ポート（１６３，１６４）の一方に対応した波長選択性を有する第１の光波長フィルタ（１５３）、および第１の光波長フィルタと同様の構成を用い、入力ポートから出力ポートへの波長透過特性が前記前段の光波長合分波回路における２つの出力ポートの他方に対応した波長選択性を有する第２の光波長フィルタ（１５４）を具備し、前記第１および第２の光波長フィルタの入力ポート（１８２，２０２）を前記前段の光波長合分波回路における２つの出力ポート（１６３，１６４）それぞれに、該前段の光波長合分波回路と該第１および第２の光波長フィルタの波長選択性が対応するように組み合わせて接続し、該前段の光波長合分波回路の入力ポートを回路全体の入力ポート（２３４）とし、該第１および第２の光波長フィルタそれぞれの出力ポートを回路全体の出力ポート（２３５，２３６）としたことを特徴とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記Ｍ対の光導波路対のうち、端部の第２の光カプラに接続される光導波路対の経路長差がΔＬであり、その他の前記Ｍ対の光導波路対の経路長差が２×ΔＬであり、前記Ｍが３であることを特徴とするものである。
【００２０】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光波長合分波回路を前段の光波長合分波回路とし、請求項３又は４に記載の光波長合分波回路を構成する第１および第２の光波長フィルタの少なくとも一方を複数具備し、該複数の第１あるいは第２の光波長フィルタを、前記前段の光波長合分波回路における２つの出力ポートの後段に直列に接続し、該前段の光波長合分波回路の入力ポートを回路全体の入力ポートとし、該前段の光波長合分波回路における出力ポートの後段に直列に接続された第１あるいは第２の光波長フィルタのうち、最も後段の第１あるいは第２の光波長フィルタそれぞれの出力ポートを回路全体の出力ポートとしたことを特徴とするものである。
【００２１】
また、請求項６に記載の発明は、請求項３又は５に記載の発明において、前記単一もしくは複数の第１の光波長フィルタ、および単一もしくは複数の第２の光波長フィルタにおいて、少なくとも１つの光波長フィルタを、入力ポートと出力ポートを入れ替えて接続したことを特徴とするものである。
【００２２】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６いずれかに記載の発明において、前記１つの入力ポートを１つの出力ポートとし、前記２つの出力ポートを２つの入力ポートとした構成を用い、２つの入力ポートから入力された複数の波長の異なる信号光を周期的に１つの出力ポートに合波することを特徴とするものである。
【００２３】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７いずれかに記載の発明において、前記クラッドおよび前記コアが、石英系ガラスからなることを特徴とするものである。
【００２４】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８いずれかに記載の発明において、前記クラッドおよび前記コアが平面基板上に形成され、かつ、前記光導波路および光カプラが、単一もしくは複数の平面基板上に集積されていることを特徴とするものである。
【００２５】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至９いずれかに記載の発明において、前記第１および第２の光カプラが方向性結合器あるいはマルチモード干渉計であることを特徴とするものである。
【００２６】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０いずれかに記載の発明において、前記溝に挿入した材料が有機物であることを特徴とするものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
具体的な実施例について説明する前に、図５に示した波長合分波回路を用いて本発明の原理について説明する。図５は、長さの異なる２本の導波路を一対とする導波路対２対と、その導波路対を構成する２本の導波路を分岐あるいは合流する３つの光カプラを多連に組み合わせた２段構成ＭＺＩを示した図で、多段構成ＭＺＩによる光波長合分波回路では最も基本的な構成図である。
【００２８】
２対の導波路対１０５と１０６、１０７と１０８と、ある２本の導波路を異なる２本の導波路へ分岐あるいは合流する３個の光カプラ１０９〜１１１が交互に接続され、また端部の光カプラ１０９および１１１には入出力のための導波路１０１〜１０４が接続され、前記２対の導波路対を構成する２本の導波路において、長い側である２本の導波路１０５，１０７の途中に、温度補償材料が溝１１２，１１３にて挿入されている。
【００２９】
ここで、端部に位置する光カプラ１０９において、互いに対角に位置する導波路１０１と１０６、１０２と１０５へ分岐される光強度の割合（以下、「分岐比」と記載する）が５０％より小さい場合を仮定する。このとき導波路１０１より入力された光は、導波路１０６よりも導波路１０５側に多くの割合で分岐し、導波路１０２より入力された光は、導波路１０５よりも導波路１０６側に多くの割合で分岐するため、導波路１０１よりも導波路１０２から光を入力する構成の方が溝１１２における過剰損失の影響を受けにくい。この傾向は光カプラ１０９の分岐比が０％に近い条件ほど顕著である。
【００３０】
他方、導波路１０３あるいは１０４から光を入力する場合、導波路１０１に出力される光は、導波路１０６よりも導波路１０５側から多くの割合で合流し、導波路１０２に出力される光は、導波路１０５よりも導波路１０６側から多くの割合で合流するため、導波路１０１よりも導波路１０２から出力される光の方が溝１１２における過剰損失の影響を受けにくく、両導波路からの出力には損失差が生じる。この傾向は光カプラ１０９の分岐比が０％に近い条件ほど顕著である。
【００３１】
またここで、端部に位置する光カプラ１０９において、分岐比が５０％より大きい場合を仮定する。このとき図５に示した光波長合分波回路は、導波路１０１と１０２に関して前述の仮定とは対称的な回路となるから、このとき導波路１０１あるいは１０２からの光入力においては、導波路１０２よりも導波路１０１から入力する構成のほうが溝１１２における過剰損失の影響を受けにくい。また、導波路１０３あるいは１０４からの光入力においては、導波路１０２よりも導波路１０１から出力される光のほうが溝１１２における過剰損失の影響を受けにくく、やはり両導波路からの出力には損失差が生じる。
【００３２】
上述した２つの仮定を考慮するに、図５に示すような光波長合分波回路において、端部に位置する光カプラ１０９の分岐比が５０％とは異なる場合、かかる分岐比が５０％より小さい場合には導波路１０２を入力ポート、１０３および１０４を出力ポートに限定するような構成とし、分岐比が５０％より大きい場合には導波路１０１を入力ポート、１０３および１０４を出力ポートに限定するような構成をとることにより、溝部における過剰損失の影響が小さく、かつ２つの出力間の損失差が小さい波長分波回路となる。また上述したポートを限定するような構成の回路は、光入出力方向を逆にとることによって、溝部における過剰損失の影響が小さく、かつ２つの出力間の損失差が小さい光波長合波回路となる。
【００３３】
以下、上述した本発明の原理に従って実施例について説明する。
【００３４】
［実施例１］
図６は、本発明の光波長合分波回路の第１実施例を説明するための図で、３段構成ＭＺＩを使用し、透過波長を温度無依存化した光波長合分波回路の回路構成図である。Ｓｉ基板１２１に、導波路１２２〜１２５、アーム導波路１２６〜１３１、方向性結合器１３２〜１３５、溝部１３６〜１３８が設けられている。各導波路は、比屈折率差１．５％、断面が４．５μｍ四方の方形導波路とし、アーム導波路１２７に対する１２６の経路長差およびアーム導波路１２９に対する１２８の経路長差を４０１１μｍ、アーム導波路１３１に対する１３０の経路長差を２００５μｍとした。また、方向性結合器１３２〜１３５の結合率は、順に１％、２３％、８５％、５０％とした。
【００３５】
溝部１３６〜１３７はフォトリソグラフィおよび反応性エッチングによって形成された後にシリコーン樹脂が充填されており、溝部１３６，１３７は幅１０μｍの溝を１０本、溝部１３８幅１０μｍの溝を５本、溝間隔４０μｍで配列することで構成した。端部に位置する光カプラの分岐比、すなわち方向性結合器１３２の結合率が１％であるから、本発明の原理に従って導波路１２３，１２４および１２５に入出力光ファイバ１４２，１４３および１４４を光ファイバブロック１３９，１４０および１４１を介して接続した構成となっている。
【００３６】
図６に示した光波長合分波回路において、溝部１３６〜１３８で生じる過剰損失は、それぞれ１．１ｄＢ、１．１ｄＢ、０．７ｄＢであったが、光ファイバ１４２に入力し、光ファイバ１４３ならびに１４４に出力される光の、溝部１３６〜１３８の影響による損失は、共にわずか０．５ｄＢに過ぎなかった。
【００３７】
［実施例２］
図７は、本発明の光波長合分波回路の第２実施例を説明するための図で、３段構成ＭＺＩを２段カスケード接続構成にし、透過波長を温度無依存化した光波長合分波回路の回路構成図である。Ｓｉ基板１５１上にカスケード前段の第１の多段構成ＭＺＩ１５２、カスケード後段の第２の多段構成ＭＺＩ１５３、およびカスケード後段の第３の多段構成ＭＺＩ１５４が設けられている。基板上すべての導波路においては、比屈折率差１．５％、断面が４．５μｍ四方の方形導波路とした。第１の多段構成ＭＺＩ１５２は、導波路１６１〜１６４、アーム導波路１６５〜１７０、方向性結合器１７１〜１７４、溝部１７５〜１７７が構成される。アーム導波路１６６に対する１６５の経路長差およびアーム導波路１６８に対する１６７の経路長差を４０１１μｍ、アーム導波路１７０に対する１６９の経路長差を２００５μｍとした。また、方向性結合器１７１〜１７４の結合率は、順に１％、２３％、８５％、５０％とした。
【００３８】
溝部１７５，１７６は幅１０μｍの溝を１０本、溝部１７７は幅１０μｍの溝を５本、溝間隔４０μｍで配列することで構成され、それぞれにシリコーン樹脂が充填されている。第２の多段構成ＭＺＩ１５３は、導波路１８１〜１８４、アーム導波路１８５〜１９０、方向性結合器１９１〜１９４、溝部１９５〜１９７が構成される。第２の多段構成ＭＺＩ１５３においては、アーム導波路経路長差、方向性結合器の結合率、溝部の構造は、第１の多段構成ＭＺＩ１５２と同様とした。第３の多段構成ＭＺＩ１５４は、導波路２０１〜２０４、アーム導波路２０５〜２１０、方向性結合器２１１〜２１４、溝部２１５〜２１７が構成される。第３の多段構成ＭＺＩ１５４においては、アーム導波路の経路長差、方向性結合器の結合率、溝部の構造は、第１および第２の多段構成ＭＺＩ１５２，１５３と同様とした。
【００３９】
本発明の原理に従って、第１の多段構成ＭＺＩ１５２においては、導波路１６２，１６３および１６４を入出力ポートとした構成をとり、導波路１６２に入出力光ファイバ２３４を、光ファイバブロック２３１を介して接続した。第２の多段構成ＭＺＩ１５３においては、導波路１８２および１８３を入出力ポートとした構成をとり、導波路１８３に入出力光ファイバ２３５を、光ファイバブロック２３２を介して接続し、導波路１８２は導波路２２１を介して第１の多段構成ＭＺＩ１５２の導波路１６３と接続した。第３の多段構成ＭＺＩ１５４においては、導波路２０２および２０４を入出力ポートとした構成をとり、導波路２０４に入出力光ファイバ２３６を、光ファイバブロック２３３を介して接続し、導波路２０２は導波路２２２を介して第１の多段構成ＭＺＩ１５２の導波路１６４と接続した。
【００４０】
図７に示した光波長合分波回路において、溝部１７５，１７６，１９５，１９６，２１５，２１６の各々で生じる過剰損失は、１．１ｄＢ、溝部１７５，１７６，１９５，１９６，２１５，２１６の各々で生じる過剰損失は０．７ｄＢであったが、光ファイバ２３４に入力し、光ファイバ２３５ならびに２３６に出力される光の、溝部の影響による損失は、共にわずか１．０ｄＢに過ぎなかった。
【００４１】
以上２つの実施例から、本発明の光波長合分波回路では、少なくとも１つ以上の導波路上に形成した溝に温度補償材料を挿入し、透過波長の温度無依存化を図りながらも、回路の損失特性の劣化が小さいことが確認された。この結果本発明により、小型でかつ良好な合分波特性を有し、透過波長が温度に無依存でありながらも、かかる温度無依存化に起因する損失特性の劣化が小さい、実用十分な特性を有するインターリーブ用波長合分波回路を得ることが可能である。
【００４２】
２つの実施例では、光波長合分波回路の光入出力を光ファイバとする構成としたが、本発明の適用範囲はこの限りではなく、本発明の光波長合分波回路の入出力と接続されるべき少なくとも１つ以上の他の光導波回路を、本発明の光波長合分波回路と同一基板上に集積しても良い。また、本発明の光波長合分波回路、およびその入出力と接続されるべき少なくとも１つ以上の他の光導波回路を独立に作製し、適当な接着材を介して基板を接合することで回路を接続してもよい。
【００４３】
２つの実施例では、光波長合分波回路を構成する多段構成ＭＺＩの段数を３段に限定したが、本発明の適用範囲は、この段数に限定されるものではない、また実施例２では多段構成ＭＺＩを多段カスケード構成とする段数を２段に限定したが、本発明の適用範囲はこの段数に限定されるものではない。
【００４４】
実施例２では、カスケード前段の多段構成ＭＺＩ、およびカスケード後段の２つの多段構成ＭＺＩにおける、段数ならびに設計パラメーターを同一としたが、本発明の適用範囲はこの限りでなく、段数あるいは設計パラメーターは、必ずしも同一である必要はない。
【００４５】
実施例２では、第２の多段構成ＭＺＩ１５３において、導波路１８２を第１の多段構成ＭＺＩ１５２と接続し導波路１８３を光波長合分波回路の入出力として光ファイバに接続したが、本発明の適用範囲はこの限りでなく、導波路１８３を第１の多段構成ＭＺＩ１５２と接続し導波路１８２を光波長合分波回路の入出力としてもよいことは、受動的光回路の性質より明らかである。また、第２の多段構成ＭＺＩ１５３の入出力としては、導波路１８２と導波路１８３の組み合わせを用いる構成としたが、これを導波路１８２と導波路１８４の組み合わせとしても良いことは、本発明の原理から明らかである。さらに以上に述べた第２の多段構成ＭＺＩ１５３に関する構成の可変性は、第３の多段構成ＭＺＩ１５４に関しても全く当てはまることである。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、少なくとも１つ以上の導波路上に形成した溝に温度補償材料を挿入し、透過波長の温度無依存化を図りながらも、かかる回路の損失特性の劣化を小さく抑えることができ、実用十分な特性を有する光波長合分波回路を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、従来の多段構成ＭＺＩの回路構成図で、（ｂ）は、（ａ）におけるａ−ａ′線の断面図である。
【図２】図１（ａ）の多段構成ＭＺＩでの透過スペクトルの一例を示す図である。
【図３】従来のカスケード構成にしたＭＺＩの回路構成図である。
【図４】（ａ）は、透過波長の温度無依存化する従来技術を適用したＭＺＩの構成図で、（ｂ）は、（ａ）における溝部分の拡大図である。
【図５】本発明の光波長合分波回路の原理を説明するための構成図である。
【図６】本発明の光波長合分波回路の第１実施例を示す図である。
【図７】本発明の光波長合分波回路の第２実施例を示す図である。
【符号の説明】
１，２１，７１，１２１，１５１ Ｓｉ基板
２〜５，２２〜３３，６４，６５，７２〜７５，１０１〜１０４，１２２〜１２５，１６１〜１６４，１８１〜１８４，２０１〜２０４，２１１，２２２ 導波路
６〜１１，３４〜５１，７６，７７，１０５〜１０８，１２６〜１３１，１６５〜１７０，１８５〜１９０，２０５〜２１０ アーム導波路
１０９〜１１１ 光カプラ
１２〜１５，５２〜６３，７８，７９，１３２〜１３５，１７１〜１７４，１９１〜１９４，２１１〜２１４ 方向性結合器
１６ 導波路コア
１７ クラッド
８０，１１２，１１３，１３６〜１３８，１７５〜１７７，１９５〜１９７，２１５〜２１７ 溝
１３９〜１４１，２３１〜２３３ ファイバブロック
１４２〜１４４，２３４〜２３６ 光ファイバ
１５２〜１５４ 多段構成ＭＺＩ
Claims (11)
- １本の入力光導波路から２本の出力光導波路へ光を分岐する第１の光カプラを１個と、２本の入力光導波路から２本の出力光導波路へ光を合流分岐する第２の光カプラをＮ（Ｎは３以上の自然数）個、および長さの異なる２本の光導波路を１対とする光導波路対をＮ対具備し、前記第１の光カプラに、前記Ｎ対の光導波路対および前記Ｎ個の第２の光カプラが交互に接続され、前記第１の光カプラの入力光導波路を入力ポートとし、前記第２の光カプラのうち端部に接続された光カプラの出力導波路を出力ポートとした構成を用い、１つの入力ポートから入力された複数の波長の異なる信号光を周期的に２つの出力ポートに分波するインターリーブ用の光波長合分波回路であって、
前記光導波路対が、クラッドおよびコアからなる光導波路より構成されており、
該光導波路対の光路長差のみにより所望の位相差が設定され、
更に該光導波路対のうち少なくとも１対において、長い側の光導波路からクラッドの一部およびコアの一部を除去したことにより溝が形成されているとともに、該溝には、前記光導波路の実効屈折率の温度係数と異なる符合の屈折率温度係数を有する材料が充填されることによって透過波長の温度無依存化がなされ、
かつ、前記第１の光カプラにおいて、入力光導波路から、該光カプラに接続された光導波路対のうち長い側の光導波路へ分岐される光強度比が、５０％より小さいことを特徴とする光波長合分波回路。 - 前記Ｎ対の光導波路対のうち、端部の第２の光カプラに接続される光導波路対の経路長差がΔＬであり、その他の前記Ｎ対の光導波路対の経路長差が２×ΔＬであり、前記Ｎが３であることを特徴とする請求項１に記載の光波長合分波回路。
- 請求項１又は２に記載の光波長合分波回路を前段の光波長合分波回路とし、１本の入力光導波路から２本の出力光導波路へ光を分岐する第１の光カプラを１個と、２本の入力光導波路から２本の出力光導波路へ光を合流分岐する第２の光カプラをＭ（Ｍは３以上の自然数）個、および長さの異なる２本の光導波路を１対とする光導波路対をＭ対具備し、前記第１の光カプラに、前記Ｍ対の光導波路対および前記Ｍ個の第２の光カプラが交互に接続され、前記第１の光カプラの入力光導波路を入力ポートとし、前記第２の光カプラのうち端部に接続された光カプラにおける２本の出力導波路のいずれかを出力ポートとした構成を用い、該入力ポートから該出力ポートへの波長透過特性が前記前段の光波長合分波回路における２つの出力ポートの一方に対応した波長選択性を有する第１の光波長フィルタ、および第１の光波長フィルタと同様の構成を用い、入力ポートから出力ポートへの波長透過特性が前記前段の光波長合分波回路における２つの出力ポートの他方に対応した波長選択性を有する第２の光波長フィルタを具備し、
前記第１および第２の光波長フィルタの入力ポートを前記前段の光波長合分波回路における２つの出力ポートそれぞれに、該前段の光波長合分波回路と該第１および第２の光波長フィルタの波長選択性が対応するように組み合わせて接続し、該前段の光波長合分波回路の入力ポートを回路全体の入力ポートとし、該第１および第２の光波長フィルタそれぞれの出力ポートを回路全体の出力ポートとしたことを特徴とする光波長合分波回路。 - 前記Ｍ対の光導波路対のうち、端部の第２の光カプラに接続される光導波路対の経路長差がΔＬであり、その他の前記Ｍ対の光導波路対の経路長差が２×ΔＬであり、前記Ｍが３であることを特徴とする請求項３に記載の光波長合分波回路。
- 請求項１又は２に記載の光波長合分波回路を前段の光波長合分波回路とし、請求項３又は４に記載の光波長合分波回路を構成する第１および第２の光波長フィルタの少なくとも一方を複数具備し、
該複数の第１あるいは第２の光波長フィルタを、前記前段の光波長合分波回路における２つの出力ポートの後段に直列に接続し、該前段の光波長合分波回路の入力ポートを回路全体の入力ポートとし、該前段の光波長合分波回路における出力ポートの後段に直列に接続された第１あるいは第２の光波長フィルタのうち、最も後段の第１あるいは第２の光波長フィルタそれぞれの出力ポートを回路全体の出力ポートとしたことを特徴とする光波長合分波回路。 - 前記単一もしくは複数の第１の光波長フィルタ、および単一もしくは複数の第２の光波長フィルタにおいて、少なくとも１つの光波長フィルタを、入力ポートと出力ポートを入れ替えて接続したことを特徴とする請求項３又は５に記載の光波長合分波回路。
- 前記１つの入力ポートを１つの出力ポートとし、前記２つの出力ポートを２つの入力ポートとした構成を用い、２つの入力ポートから入力された複数の波長の異なる信号光を周期的に１つの出力ポートに合波することを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の光波長合分波回路。
- 前記クラッドおよび前記コアが、石英系ガラスからなることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の光波長合分波回路。
- 前記クラッドおよび前記コアが平面基板上に形成され、かつ、前記光導波路および光カプラが、単一もしくは複数の平面基板上に集積されていることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の光波長合分波回路。
- 前記第１および第２の光カプラが方向性結合器あるいはマルチモード干渉計であることを特徴とする請求項１乃至９いずれかに記載の光波長合分波回路。
- 前記溝に挿入した材料が有機物であることを特徴とする請求項１乃至１０いずれかに記載の光波長合分波回路。
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