JP4123049B2 - 光合分波器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光合分波器に関する。具体的にいうと、本発明は、複数波長の光を分波する機能と複数波長の光を合波する機能のうち少なくとも一方を備えた光合分波器(光合波・分波器)に関する。
【0002】
【従来の技術】
光通信分野においては、種々の構造の光合分波器が提案されている。図1は誘電体多層膜フィルタを用いた従来の光合分波器の構造を示す図であって、コアの上面を通過する平面でクラッドを断面した図である。この光合分波器1にあっては、透明材料からなるクラッド2内にコア3a、3b、3cが埋め込まれて光導波路4が構成されている。光導波路4にはフィルタ5を挿入するための溝6が形成されており、当該溝6内には誘電体多層膜フィルタ等のフィルタ5が差し込まれている。溝6の一方に位置するクラッド2内には、第1のコア3aと第2のコア3bが設けられており、溝6に臨む端部で第1のコア3aと第2のコア3bは略V字状につながっている。また、溝6の他方に位置するクラッド2内には、端部が第1のコア3aの端部と対向するようにして第3のコア3cが設けられている。
【0003】
また、第1のコア3aの端面には光ファイバ7aが結合され、第2のコア3bの端面には光ファイバ7bが結合され、第3のコア3cの端面には光ファイバ7cが結合されている。
【0004】
この光合分波器1に用いられているフィルタ5が、例えば波長λ1、λ2、λ3(ただし、λ1<λ2<λ3)の光に対して、波長λ1及びλ2の光を透過させ、波長λ3の光を反射させる特性を有しているとする。このような光合分波器1において、図1に実線の矢印で示すように、例えば光ファイバ7aから第1のコア3aに波長λ2の光と波長λ3の光を同時に入射させると、第1のコア3aを伝搬してフィルタ5と対向する端面から出射された光は、フィルタ5によって第2のコア3bと第3のコア3cとに分波される。つまり、第1のコア3aから出射した光のうち、波長λ2の光はフィルタ5を透過して第3のコア3cに入射し、第3のコア3cを伝搬して光ファイバ7cに結合する。同時に、第1のコア3aの端面から出射された波長λ3の光はフィルタ5で反射されて第2のコア3bへ入射し、第2のコア3b内を伝搬して光ファイバ7bに結合する。
【0005】
また、図1に破線の矢印で示すように、光ファイバ7cから第3のコア3cに波長λ1の光を入射させると、第3のコア3cを伝搬してフィルタ5と対向する端面から出射された波長λ1の光はフィルタ5を透過して第1のコア3aに入射し、第1のコア3aを伝搬して光ファイバ7aに結合する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような合分波器1では、図1のX部を拡大して図2に示すように、第1のコア3aの端部と第2のコア3bの端部が略V字状につながっていて、図2に示す距離Lにわたって両コア3a、3bが重なり合っている。波長λ1、λ2、λ3の光はいずれもシングルモード光であって、コア3a、3b、3cはシングルモードの状態で各波長λ1、λ2、λ3の光を伝搬させる。そのため、光ファイバ7aから第1のコア3aに波長λ2の光と波長λ3の光を入射させたとき、第1のコア3aから出射された後、フィルタ5を透過して第3のコア3cに入るべき波長λ2の光の一部がコア3a、3bの重なり合った領域でコア3b側へ回り込むような振る舞いをし、第2のコア3bへと入射してしまうことがある。このような現象が起きると、波長λ3の光のみを取り出すための第2のコア3bに波長λ2の光が混じるので、波長λ2の光が光ファイバ7bと結合してしまってノイズとなり、通信の妨げになるなど悪影響を生じる。
【0007】
同様に、光ファイバ7cから第3のコア3cに波長λ1の光を入射させたとき、第3のコア3cの端面から出射されてフィルタ5を透過した光の一部が、第1のコア3aへ導かれないで第2のコア3bに入射し、第2のコア3b内を伝搬してノイズとなり、通信品質を低下させることがあった。
【0008】
このようなノイズを低減させるためには、第1のコア3aと第2のコア3bの間の分岐角θを大きくし、コア3a、3bの重なり部分(図2において距離Lで示した部分)を短くして両コア3a、3b間のアイソレーションを高めればよいことが知られている。図3は第1のコア3aからフィルタ5に向けてパワーP1の波長λ3の光を入射させ、第3のコア3cへ入射する光のパワーP3を計測し、その損失量
−10log[(P1−P3)/P1](dB)
を計測した結果を示している。図3の縦軸が損失量を表しており、横軸は損失量が最小となるフィルタ位置を基準とするフィルタ5の位置(変位)ξを表している。また、図3では分岐角θが16°の場合の損失量を太実線で示し、分岐角θが24°の場合の損失量を細実線で示している。図3の結果より分かるように、分岐角θを大きくする方が損失量の最小値(ξ=0のときの損失量)を小さくでき、コア3bにノイズが漏れにくくなる。
【0009】
しかし、分岐角θが大きくなると損失量の変化を表すカーブが急になるので、ノイズを小さくするために分岐角θを大きくする方法では、溝6内におけるフィルタ位置のわずかな変化で損失量が大きく変化し、フィルタ5の要求位置精度が厳しくなって、光合分波器の作製が困難になる問題が生じる。
【0010】
また、光ファイバ7a、7bとの結合側では、第1のコア3aの端部と第2のコア3bの端部は光ファイバ7a、7bと光軸が一致するようにして平行に揃える必要があるので、コア3a、3b間の分岐角θが大きくなると、それだけ第1のコア3aと第2のコア3bを途中で大きく湾曲させなければならなくなる。しかし、コア3a、3bが光を閉じ込めたままで曲げることのできる最大曲率は決まっているので、所定の曲率半径以下にコア3a、3bを曲げることはできない。そのため、分岐角θが大きくなると、コア3a、3bの湾曲部分の長さを長くしなければならず、光導波路が大きくなり、光導波路のコストが高くつき、また、伝搬損失も大きくなる。
【0011】
【発明の開示】
本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光合分波器におけるノイズや迷光などを低減させるための方法を提供することにある。
【0012】
本発明の第1の光合分波器は、光を閉じ込めて伝搬させる、少なくとも1箇所で光学的につながった複数本のシングルモード用のコアと、前記コアの光学的につながった部分に配置された、特定波長の光を透過又は反射させるフィルタ素子とを有し、前記フィルタ素子は、該フィルタ素子に入射する前記コアの内部を伝搬する波長の異なる複数のシングルモード光のうち最も長い波長の光のみを反射させることによって、分波して他のコアに伝搬させ、あるいは、異なるコアを伝搬する波長の異なる光を合波して他のコアに伝搬させる光合分波器において、前記コアのうち最も波長の長い光だけを伝搬させるコアは、最も長い波長の光をシングルモードのまま伝搬させ、かつ、他の波長の光をマルチモード化して伝搬させるように構成されていることを特徴としている。
【0013】
本発明の第1の光合分波器にあっては、前記フィルタ素子が、該フィルタ素子に入射する前記コアの内部を伝搬する波長の異なる複数のシングルモード光のうち最も長い波長の光のみを反射させることによって、分波して他のコアに伝搬させ、あるいは、異なるコアを伝搬する波長の異なる光を合波して他のコアに伝搬させ、最も波長の長い光だけを伝搬させるコアは、最も長い波長の光をシングルモードのまま伝搬させ、かつ、他の波長の光をマルチモード化して伝搬させるように構成されているので、当該コアでは最も長い波長の光はシングルモードのままで伝搬し、最も長い波長の光以外の光はマルチモード化されて伝搬される。その結果、最も長い波長の光だけを光ファイバなどに結合させることができる。よって、コアどうしが光学的につながっている箇所を通じて、最も長い波長の光を伝搬させるコアに最も長い波長の光以外の光が入り込んできても、最も長い波長の光以外の光はマルチモード化されて伝搬され、シングルモードの光ファイバ等には結合されず、最も長い波長の光以外の光が侵入してノイズとなるのを防ぐことができる。なお、コアが光学的につながっているとは、コアが機械的もしくは構造的には分離していても、光学的につながっていればよいという意味である。例えば、コアどうしが分離していても、分離した箇所でコアの端面どうしが近くにあり、一方のコア端面から出た光が、直接あるいはフィルタ等を介して、他方のコア端面に結合する場合がある。
【0014】
本発明の第1の光合分波器の実施形態においては、前記最も波長の長い光だけを伝搬させるコアの断面積は、他のコアの断面積よりも大きくなっていてもよい。この実施形態によれば、最も長い波長の光が伝搬するコアの断面積を大きくすることで、最も波長の長い光の曲げ損失を小さくすることができる。あるいは、曲げ損失を一定にすれば、光合分波器を小型化することができる。
【0015】
本発明の第2の光合分波器は、光を閉じ込めて伝搬させる、順次ジグザグに光学的につながった複数本のシングルモード用のコアと、前記コアの光学的につながった全ての部分に配置された、特定波長の光を透過又は反射させる複数個のフィルタ素子とを有し、前記各フィルタ素子には、それぞれ波長の異なる複数のシングルモード光が前記コアから入射し、前記各フィルタ素子は、入射した波長の異なる複数の光のうち最も波長の短い光だけを透過させ、他の波長の光を反射させる特性を有し、各フィルタ素子で反射された直後の光が伝搬するコアは、該フィルタ素子で反射する波長の光に対してはシングルモードのまま伝搬させ、かつ、該フィルタ素子を透過する波長の光に対してはマルチモード化して伝搬させるように構成されていることを特徴としている。
【0016】
本発明の第2の光合分波器にあっては、各フィルタ素子で反射された直後の光が伝搬するコアが、該フィルタ素子で反射する波長の光に対してはシングルモードのまま伝搬させ、かつ、該フィルタ素子を透過する波長の光に対してはマルチモード化して伝搬させるので、フィルタ素子を透過すべき波長の光がコアのつながっている部分を回り込んでフィルタ素子で反射した光が伝搬するコアに入ったとしても、回り込んだ光はフィルタ素子で反射した光が伝搬するコアをマルチモードで伝搬するので、次のフィルタ素子を透過してもフィルタ素子を介して配置されているシングルモードの光ファイバ等には結合せず、ノイズ光となるのを防ぐことができる。
【0017】
なお、この発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
図4は本発明の第1の実施形態による光合分波器11を示す斜視図である。また、図5は、図4の光合分波器11の光ファイバ17c、17a及びコア13c、13aに沿った断面図である。この光合分波器11では、シリコン基板18の上面に光導波路14とフィルタ素子15が配設されており、図では各コア13a、13b、13cの端面に使用波長でシングルモードの光ファイバ17a、17b、17cを接続した状態で表している。
【0019】
光合分波器11の主要部を構成する光導波路14は、透明なプラスチック材料やガラスからなるクラッド12内にコア13a、13b、13cを埋め込んだものである。クラッド12は、上クラッド12aと下クラッド12bを上下に重ね合わせて構成されており、コア13a、13b、13cは上クラッド12aと下クラッド12bの間に挟み込まれている。コア13a、13b、13cはクラッド12よりも屈折率の大きなポリマー材料、石英等のガラス材料、光学結晶等によって構成されている。コア13a、13b、13cの断面は、典型的には、矩形、台形、略半円形などの形状をしているが、製造上の制約を別にすれば、コア断面の形状は特に限定されない。また、光導波路14の形状も、コアがクラッドに埋め込まれた形状に限定されず、平面状のクラッド層の上に凸状のコアを形成したリッジ型の光導波路なども含まれる(以下の実施形態においても同様である。)。
【0020】
光導波路14の各コア13a、13b、13cはシングルモード用のコアとなっている(他の実施形態でも同様)。シングルモード用のコアとは、そのコアを伝搬させることを予定としている波長に光に対しては、シングルモードコアとなっており、その波長の光をシングルモードのままで伝搬させるということである。
【0021】
図6は光合分波器11の平面図であって、コア13a、13b、13cの上面を通る平面で断面した様子を表している。光導波路14には、幅方向に横断するようにして、フィルタ素子15を挿入するための溝16が形成されており、溝16内には各コア13a、13b、13cの端面が露出している。溝16の一方には第1のコア13aと第2のコア13bが配置され、溝16に臨む端部で第1のコア3aと第2のコア3bは略V字状につながっている。また、溝16の他方には、端部が第1のコア13aの端部と一直線状に並ぶようにして、かつ、端面どうしが対向するようにして第3のコア13cが設けられている。溝16内には誘電体多層膜フィルタ、合分波フィルタ、回折格子、グレーティング等からなるフィルタ素子15が差し込まれており、第1のコア13a、第2のコア13b、第3のコア13cの各端面はそれぞれフィルタ素子15に対向している。
【0022】
また、これらのコア13a、13b、13cどうしは、
第2のコア13bの断面積>第1のコア13aの断面積
第2のコア13bの断面積>第3のコア13cの断面積
となっている。第1のコア13aと第3のコア13cの断面積は、同じであってもよく、異なっていてもよい。さらに限定的にいうと、使用する光の波長をλ1、λ2、λ3(λ1<λ2<λ3;例えば、λ1=1.31μm、λ2=1.49μm、λ3=1.55μm)とすれば、第2のコア13bは、波長λ3の光に対してはシングルモードのコアとなり、波長λ1及び波長λ2の光に対してはマルチモードのコアとなっており、第1のコア13a及び第3のコア13cは波長λ1、λ2、λ3のいずれの光に対してもシングルモードのコアとなっている(すなわち、コア13a、13cのカットオフ波長をλa、λc、コア13bのカットオフ波長をλbとすれば、λa、λc<λ1<λ2<λb<λ3 となる。)。
【0023】
フィルタ素子15は、波長λ1及び波長λ2の光を透過させ、波長λ3の光を反射させる短波長域通過型の特性のものを用いている。また、フィルタ素子15は、各コア13a、13b、13cにおける光の損失が最小となるように溝16の中で位置調整されている。
【0024】
第1のコア13aの端面には光ファイバ17aが結合され、第2のコア13bの端面には光ファイバ17bが結合され、第3のコア13cの端面には光ファイバ17cが結合されている。光ファイバ17a、17b、17cは、シリコン基板18の上面に設けられたV溝19内に嵌め込むことによって位置決めされており、光ファイバ17a、17b、17cの端面がそれぞれコア13a、13b、13cに対向させられている。V溝19に嵌め込まれた光ファイバ17a、17bは、上面をガラス又はプラスチック製のカバー20aで押さえられ、光ファイバ17cは同じくガラス又はプラスチック製のカバー20bで押さえられており、各カバー20a、20bは接着剤21によってシリコン基板18の上面に接着されている。
【0025】
この光合分波器11が分波用に使用される場合には、図7に実線矢印で示すように、光ファイバ17aからコア13a(Mポート)へ波長λ2の光と波長λ3の光を同時に入射させると、コア13aを伝搬してコア13aの端面から出射された光のうち、波長λ3の光がフィルタ素子15で反射してコア13b(Lポート)内を伝搬し光ファイバ17bに結合され、波長λ2の光がフィルタ素子15を透過してコア13c(Sポート)を伝搬し光ファイバ17cに結合される。しかも、コア13aに波長λ2の光と波長λ3の光が同時に入射したとき、コア13aの端部で波長λ2の光の一部がコア13b側へ回り込んだとしても、コア13bは波長λ2の光に対してはマルチモードになっているので、シングルモードの光ファイバ17bに結合されず、波長λ2の光がコア13bから光ファイバ17bへ入射してノイズとなることがなくなる。
【0026】
また、図7に破線矢印で示すように、光ファイバ17cからコア13cへ波長λ1の光を入射させると、コア13cを伝搬してその端面から出射された光がフィルタ素子15を透過してコア13aに入射し、コア13aを伝搬して光ファイバ17aに結合される。しかも、フィルタ素子15を透過した波長λ1の光の一部がコア13b側へ侵入したとしても、コア13bは波長λ1の光に対してもマルチモードになっているので、シングルモードの光ファイバ17bに結合されず、波長λ1の光がコア13bから光ファイバ17bへ入射してノイズとなることがなくなる。
【0027】
この光合分波器11を合波用に使用する場合には、図8に実線矢印で示すように、光ファイバ17cからコア13cに波長λ2の光を入射させ、光ファイバ17bからコア13bに波長λ3の光を入射させると、コア13cから出射された波長λ2の光はフィルタ素子15を透過してコア13a内に入り、コア13bから出射された波長λ3の光はフィルタ素子15で反射してコア13a内に入り、フィルタ素子15で波長λ2の光と波長λ3の光が合波されてコア13a内を伝搬し、光ファイバ17aに結合される。しかも、フィルタ素子15を透過した波長λ2の光の一部がコア13b側へ回り込んだとしても、コア13bは波長λ2の光に対してはマルチモードになっているので、シングルモードの光ファイバ17bに結合されず、波長λ2の光がコア13bから光ファイバ17bへ入射してノイズ光となるのを防ぐことができる。
【0028】
また、図8に破線矢印で示すように、光ファイバ17aからコア13aに波長λ1の光を入射させると、コア13aから出射された光がフィルタ素子15を透過してコア13cに入射し、コア13cを伝搬して光ファイバ17cに結合される。しかも、コア13aを伝搬してきた波長λ1の光の一部がコア13b側へ侵入したとしても、コア13bは波長λ1の光に対してもマルチモードになっているので、シングルモードの光ファイバ17bに結合されず、波長λ1の光がコア13bから光ファイバ17bへ入射して迷光となることがなくなる。
【0029】
図9はコア断面積及びコアの比屈折率からなる二次元の領域に、波長λ3の光に対してシングルモードとなる範囲と、波長λ2の光に対してシングルモードとなる範囲を表した図である。2本の実線(λ3SM上限、λ3SM下限)で挟まれた領域が波長λ3の光に対してシングルモードとなる範囲(λ3SM)であり、2本の破線(λ2SM上限、λ2SM下限)で挟まれた領域が波長λ2の光に対してシングルモードとなる範囲(λ2SM)である。なお、ここには波長λ1については記載していないが、波長λ1については波長λ2とほぼ同等に考えてよい。従って、第2のコア13bについては、波長λ2(及びλ1)のシングルモードの範囲外で、かつ、波長λ3のシングルモードの範囲内となるように設計すれば、波長λ3の光に対してはシングルモードのコアとし、波長λ1及び波長λ2の光に対してはマルチモードのコアとすることができる。また、第1のコア13a及び第3のコア13cについては、波長λ3及び波長λ2(及びλ1)のシングルモードの範囲内となるように設計すれば、波長λ1、λ2、λ3の光に対してシングルモードのコアとすることができる。特に、各コア13a、13b、13cの比屈折率が等しいとすれば、図9においてハッチングを施した領域となるように、各コア13a、13b、13cを設計すればよく、そのためには、第2のコア13bの断面積が第1のコア13aの断面積と第3のコア13cの断面積よりも小さくなればよいことが分かる。
【0030】
図10はコア13bの断面積をコア13a、13cよりも大きくする方法の数例を示している。図10(a)に示す例では、コア断面を矩形とし、コア13bの高さH2とコア13a、13cの高さH1を等しくし、コア13bの幅W2をコア13a、13cの幅W1よりも大きくしている(H2=H1、W2>W1)。図10(b)に示す例では、コア13bの幅W2とコア13a、13cの幅W1を等しくし、コア13bの高さH2をコア13a、13cの高さH1よりも大きくしている(W2=W1、H2>H1)。また、図10(c)に示す例では、コア断面を下方で狭くなった台形とし(このような形状にすることによりコアの成形が容易になる。)、コア13bの高さH2とコア13a、13cの高さH1を等しくし、コア13bの底辺の幅D2をコア13a、13cの幅D1よりも大きくしている(H2=H1、D2>D1)。あるいは、図10(c)のような台形断面のコアにおいて、中心部分の幅を異ならせたり、高さを異ならせたりすることも可能である。ここでは、これ以上の例は省略するが、コア断面の形状に応じて種々の方法が可能であることは言うまでもない。
【0031】
コア断面の設計方法についてさらに詳細に述べれば、シングルモードとマルチモードとは、図9に示したようにあるコア断面積(コア径)で急にシングルモードからマルチモードへ変化する訳ではなく、100%のシングルモードと100%のマルチモードとの間にはシングルモードからマルチモードへと徐々に移行する遷移領域が存在している。従って、第2のコア13bを、波長λ3の光に対してはシングルモードのコアとし、波長λ1及び波長λ2の光に対してはマルチモードのコアとなるようにするとはいっても、波長λ3の光に対して100%シングルモードのコアとし、波長λ1及び波長λ2の光に対しては100%マルチモードのコアとなるようにしなければならない訳ではない。
【0032】
図11はコア断面のサイズ(コアサイズ)とコアの伝搬モードとの関係を表した図であって、横軸はコアサイズTを表している。図11に示しているように、コアサイズが十分に大きい場合には、波長λ1、λ2、λ3のいずれについてもマルチモード(100%)となっている。コアサイズがVm/0.52(ここで、Vmはマルチモードになる規格化周波数を表している。)まで小さくなると、まず波長λ3(=1.55μm)については遷移領域に入り、徐々にシングルモード化されていき、コアサイズがVs/0.52(ここで、Vsはシングルモードになる規格化周波数を表している。)になると100%シングルモードとなる。同じように、コアサイズがVm/0.54まで小さくなると、波長λ2(=1.49μm)について遷移領域となって徐々にシングルモード化されていき、コアサイズがVs/0.54になると100%シングルモードとなる。また、コアサイズがVm/0.61まで小さくなると、波長λ1(=1.31μm)が遷移領域に入って徐々にシングルモード化され、コアサイズがVs/0.61になると100%シングルモードとなる。
【0033】
ここで、図11に示したコアサイズTとシングルモード又はマルチモードの度合いとの関係について説明する。コアサイズ(コアの厚み)をT、コアの屈折率をnf、クラッドの屈折率をnsとするとき、波長λの光に対する規格化周波数Vは、次の(1)式で表される(西原浩、春名正光、栖原敏明共著、「光集積回路」、第1版、株式会社オーム社、昭和62年4月20日発行、p.14−18)。
【数1】
よって、上記(1)式より、コアサイズを求めると、次の(2)式が得られる。
【数2】
【0034】
いま、コアの屈折率がnf=1.4556μm、クラッドの屈折率がns=1.45μmであるとする。また、規格化導波路屈折率(上記文献参照)が一定であるとすると、シングルモードの規格化周波数Vとマルチモードの規格化周波数Vは、光の波長によらず一定となる。そこで、シングルモードとなる規格化周波数をVsで表し、マルチモードとなる規格化周波数をVmで表わす。しかして、上記(2)式において、各屈折率nf、nsの値を代入し、規格化周波数Vをシングルモードの規格化周波数Vsとすると、コアがシングルモードとなるコアサイズTsは、次の(3)式のようになる。同様に、上記(2)式において、各屈折率nf、nsの値を代入し、規格化周波数Vをマルチモードの規格化周波数Vmとすると、コアがマルチモードとなるコアサイズTmは、次の(4)式のようになる。
【数3】
【0035】
よって、波長λ1=1.31μmの光を考え、上記(3)式、(4)式において波長λ=1.31μmとすると、シングルモードとなるコアサイズTsは(3)式からVs/0.61(μm)となり、マルチモードとなるコアサイズTmは(4)式からVm/0.61(μm)となり、Vs/0.61とVm/0.61との間がマルチモードからシングルモードへの遷移領域となる。同様に、波長λ2=1.49μmの光を考え、上記(3)式、(4)式において波長λ=1.49μmとすると、シングルモードとなるコアサイズTsは(3)式からVs/0.54(μm)となり、マルチモードとなるコアサイズTmは(4)式からVm/0.54(μm)となり、Vs/0.54とVm/0.54との間が遷移領域となる。また、波長λ3=1.55μmの光を考え、上記(3)式、(4)式において波長λ=1.55μmとすると、シングルモードとなるコアサイズTsは(3)式からVs/0.52(μm)となり、マルチモードとなるコアサイズTmは(4)式からVm/0.52(μm)となり、Vs/0.52とVm/0.52との間が遷移領域となる。図11はこれを表したものである。
【0036】
従って、第2のコア13bでは、コアサイズがVs/0.54よりも大きく、Vm/0.52よりも小さければよい。また、第1のコア13a及び第3のコア13cでは、コアサイズがVm/0.61よりも小さければよい。ただし、第2のコア13bのコアサイズは、図11の横軸上で、第1のコア13a及び第3のコア13cのコアサイズよりも大きいものとする。
【0037】
よって、本発明の光合分波器11によれば、合波用や分波用に用いる場合に、第1のコア13aと第2のコア13bとのアイソレーションを高めて、第2のコア13bに接続されている光ファイバ17bにおけるノイズを低減させることができる。また、第2のコア13bを伝搬する光の曲げ損失を小さくすることができる。よって、従来例のコア間の分岐角を大きくする方法のようにコアの曲率を大きくする必要がないので、フィルタ素子15の要求位置精度が厳しくなったり、光合分波器が大きくなってコストが高価につくのを避けることができる。
【0038】
図12(a1)(a2)、(b1)(b2)、(c1)(c2)、図13(d1)(d2)、(e1)(e2)、(f1)(f2)、(g1)(g2)、図14(h1)(h2)、(i1)(i2)、(j1)(j2)は光合分波器11の製造工程を示す斜視図及び断面図であって、図12(a2)(b2)(c2)、図13(d2)(e2)(f2)(g2)、図14(h2)(i2)(j2)はそれぞれ図12(a1)(b1)(c1)、図13(d1)(e1)(f1)(g1)、図14(h1)(i1)(j1)の断面図である。光合分波器11を製造する場合には、まず図12(a1)(a2)に示すように、ガラス基板22の上に紫外線硬化型樹脂23を滴下し、紫外線硬化型樹脂23の上にスタンパ24を重ねてスタンパ24を押圧し、ガラス基板22とスタンパ24の間に紫外線硬化型樹脂23を押し広げる。ついで、図12(b1)(b2)に示すように、ガラス基板22を通して紫外線硬化型樹脂23に紫外線(UV)を照射し、紫外線硬化型樹脂23を硬化させる。スタンパ24の下面には略Y字状をしたパターン25が突設されているので、紫外線硬化型樹脂23の硬化後にスタンパ24を紫外線硬化型樹脂23から剥離させると、図12(c1)(c2)に示すように、ガラス基板22の上面には紫外線硬化型樹脂23によって下クラッド12bが成形されると共に下クラッド12bの上面に略Y字状をした複数の凹部26が形成される。
【0039】
ついで、下クラッド12bの凹部26内に下クラッド12bよりも屈折率の大きな樹脂を充填させ、図13(d1)(d2)のように、凹部26内にコア13を形成する。この後、図13(e1)(e2)に示すように、下クラッド12bの場合と同じ紫外線硬化型樹脂23を下クラッド12bの上に滴下し、図13(f1)(f2)のように、紫外線硬化型樹脂23の上にガラス基板27を重ねて押圧し、ガラス基板27を通して紫外線硬化型樹脂23に紫外線を照射して紫外線硬化型樹脂23を硬化させ、紫外線硬化型樹脂23によって上クラッド12aを成形する。この結果、上下のガラス基板27、22の間には、内部に複数個分のコア13が形成された上下クラッド12a、12bが形成される。
【0040】
ついで、こうして形成された光導波路ウエハを、図13(g1)(g2)に示すように、各コア13間でダイシングソーによってカットし、図14(h1)(h2)のような個々の光導波路14を得る。このとき各コア13の端面が露出するようにカットするのが望ましい。さらに、図14(i1)(i2)及び(j1)(j2)に示すように、ダイシングソーによってガラス基板27の上から溝16を切り込んでコア13をコア13a、13bとコア13cとに分割し、溝16内にフィルタ素子15を挿入して光合分波器11を得る。
【0041】
こうして光合分波器11が得られたら、上下のガラス基板27、22を剥離させた(ガラス基板27、22を付けたままでも良い。)後、光合分波器11をシリコン基板18の上に実装すればよい。
【0042】
ここではスタンパや紫外線硬化型樹脂を用いて複製法で光導波路を作製する方法を説明したが、製作方法はこれに限るものではなく、射出成形、機械的加工などの方法によって製作してもよい。
【0043】
(第2の実施形態)
図15は本発明の第2の実施形態による光合分波器28(WDMカプラ)を示す斜視図である。この光合分波器28は、第1の実施形態による光合分波器11において、光導波路14のうち第3のコア13cが設けられていた部分を除いたような構造となっている。すなわち、この光合分波器28では、クラッド12内に第1のコア13aと第2のコア13bが埋め込まれていて、クラッド12の両端面でコア13a、13bの端面が露出しており、クラッド12の一方端部で第1のコア3aと第2のコア3bは略V字状につながっている。コア13a、13bが略V字状につながっている箇所では、クラッド12の端面にフィルタ素子15が接着されており、第1のコア13a及び第2のコア13bの各端面はそれぞれフィルタ素子15に対向している。
【0044】
光導波路14の両端にはそれぞれ光ファイバブロック29、30が接続される。光ファイバブロック29にあっては、ガラス基板31に設けられたV溝19の上に光ファイバ17a、17bが置かれ、その上面をガラス又はプラスチック製のカバー20aで押さえ、カバー20aを接着剤21によってガラス基板31に接着している。同様に、光ファイバブロック30にあっては、ガラス基板31に設けられたV溝19の上に光ファイバ17cが置かれ、その上面をガラス又はプラスチック製のカバー20bで押さえ、カバー20bを接着剤21によってガラス基板31に接着している。この光ファイバブロック29は、第1のコア13aの端面に光ファイバ17aを結合させ、第2のコア13bの端面に光ファイバ17bを結合させるようにして、光導波路14の一方端面に接続されている。また、光ファイバブロック30は、第3のコア13cの端面に光ファイバ17cを結合させるようにして、フィルタ素子15を介して光導波路14の他方端面に接続されている。
【0045】
また、この光導波路14では、
第2のコア13bの断面積>第1のコア13aの断面積
となっている。すなわち、使用する光の波長をλ1、λ2、λ3(λ1<λ2<λ3;例えば、λ1=1.31μm、λ2=1.49μm、λ3=1.55μm)とすると、第2のコア13bは、波長λ3の光に対してはシングルモードのコアとなり、波長λ1及び波長λ2の光に対してはマルチモードのコアとなっており、第1のコア13aは波長λ1、λ2、λ3の光に対してシングルモードのコアとなっている(すなわち、コア13aのカットオフ波長をλa、コア13bのカットオフ波長をλbとすれば、λa<λ1<λ2<λb<λ3 となる。)。
【0046】
しかして、光合分波器28にあっては、図16に実線矢印で示すように、光ファイバ17aからコア13aに波長λ2の光と波長λ3の光が同時に入射すると、コア13aを伝搬してその端面から出射された光のうち、波長λ3の光はフィルタ素子15で反射してコア13b内に入射し、コア13bを伝搬して光ファイバ17bに結合され、また、波長λ2の光はフィルタ素子15を透過して光ファイバ17cに結合される。しかも、コア13aに波長λ2の光と波長λ3の光が同時に入射したとき、コア13aの端部で波長λ2の光の一部がコア13b側へ回り込んだとしても、コア13bは波長λ2の光に対してはマルチモードになっているので、シングルモードの光ファイバ17bに結合されず、波長λ2の光がコア13bから光ファイバ17bへ入射してノイズとなることがない。
【0047】
また、図16に破線矢印で示すように、光ファイバ17cから波長λ1の光を出射させると、その光がフィルタ素子15を透過してコア13a内に入射し、コア13aを伝搬して光ファイバ17aに結合される。しかも、フィルタ素子15を透過した波長λ1の光の一部がコア13b側へ侵入したとしても、コア13bは波長λ1の光に対してもマルチモードになっているので、シングルモードの光ファイバ17bに結合されず、波長λ1の光がコア13bから光ファイバ17bへ入射してノイズとなることがない。
【0048】
また、第2のコア13bのコア断面積が大きくなっているので、第2のコア13bを伝搬する波長λ3の曲げ損失が小さくなる点も第1の実施形態の場合と同様である。
【0049】
(第3の実施形態)
図17は本発明の第3の実施形態であって、4分岐カプラを備えた光合分波器32を示している。この光合分波器32では、クラッド12に埋め込まれている第1のコア13aと第2のコア13bがクラッド12の一方端部で略V字状につながっている。コア13aは、2つのコア13d、13eに分岐し、さらに、コア13dは2つのコア13f、13gに分岐し、コア13eは2つのコア13h、13iに分岐している。また、コア13a及びコア13bがつながっている側のクラッド12の端面には、フィルタ素子15が接着されている。
【0050】
図示しないが、光導波路14の両端にはそれぞれ光ファイバブロックが接続される。フィルタ素子15の側に接続される光ファイバブロックは、フィルタ素子15を介してコア13aに光学的に接続される1本の光ファイバ17cを備えている。また、その反対側に接続される光ファイバブロックは、5本の光ファイバ17b、17f、17g、17h、17iを備えており、それぞれコア13b、13f〜13iに接続される。
【0051】
この光導波路32では、コア13a、13d〜13iの各断面積は等しくなっており、第2のコア13bの断面積がコア13a、13d〜13iの断面積よりも大きくなっており、使用する光の波長をλ1、λ2、λ3(λ1<λ2<λ3;例えば、λ1=1.31μm、λ2=1.49μm、λ3=1.55μm)とすると、第2のコア13bは、波長λ3の光に対してはシングルモードのコアとなり、波長λ1及び波長λ2の光に対してはマルチモードのコアとなっており、コア13a及びコア13d〜13iは波長λ1、λ2、λ3の光に対してシングルモードのコアとなっている(すなわち、コア13a、13d〜13iのカットオフ波長をλa、コア13bのカットオフ波長をλbとすれば、λa<λ1<λ2<λb<λ3 となる。)。
【0052】
しかして、この光合分波器32にあっては、図17に実線矢印で示すように、光ファイバ17bからコア13bに波長λ3の光を入射させると共にフィルタ素子側に接続された光ファイバ17cから波長λ2の光を入射させると、この波長λ3の光と波長λ2の光はフィルタ素子15で合波されてコア13a内を伝搬し、コア13d、13eで分岐され、さらにコア13f、13gとコア13h,13iで分岐され、各コア13f〜13iから出射された光は、各光ファイバ17f〜17iに結合される。しかも、フィルタ素子15を透過した波長λ2の光の一部がコア13b側へ入り込んだとしても、コア13bは波長λ2の光に対してはマルチモードになっているので、シングルモードの光ファイバ17bに結合されず、波長λ2の光がコア13bから光ファイバ17bへ入射して迷光となることがない。
【0053】
また、図17に破線矢印で示すように、光ファイバ17f〜17iからコア13f〜13iに波長λ1の光を入射させると、コア13d、13e、13a内を伝搬してコア13aから出射された波長λ1の光がフィルタ素子15を透過して光ファイバ17cに結合される。しかも、コア13aを伝搬してきた波長λ1の光の一部がコア13b側へ回り込んだとしても、コア13bは波長λ1の光に対してもマルチモードになっているので、シングルモードの光ファイバ17bに結合されず、波長λ1の光がコア13bから光ファイバ17bへ入射して迷光となることがない。
【0054】
なお、この実施形態では、4分岐カプラを示したが、2分岐、8分岐、16分岐などであってもよい。
【0055】
(第4の実施形態)
図18は本発明の第4の実施形態による光合分波器33を示す斜視図、図19はその平面図である。この光合分波器33は、第1の実施形態で説明した光合分波器11において、第3のコア13cの途中でクラッド12を斜めに横切るように溝34を設けて第3のコア13cをコア13caとコア13cbとに分離し、溝34内にフィルタ素子35を挿入している。このフィルタ素子35は、波長λ1の光を透過させ、波長λ2の光を反射させる特性を有するものである。また、フィルタ素子15とフィルタ素子35との間では、そのコア13caのフィルタ素子35と対向する側の端部とクラッド12の側面とを結ぶようにしてコア13jが設けられている。
【0056】
コア13a、13bの端面に結合された光ファイバ17a、17bは、シリコン基板18の上面に設けられたV溝19で位置決めされ、カバー20aで押えられている。また、コア13jの端面と対向する位置には、フォトダイオード等の受光素子36が設けられており、コア13cbの端面と対向する位置にはレーザーダイオード等の発光素子37が設けられており、発光素子37の後ろには、モニター用受光素子38が設けられている。
【0057】
この光導波路33では、コア13a、13b、13caの間には、
コア13bの断面積>コア13aの断面積
コア13bの断面積>コア13caの断面積
となっている。コア13aとコア13caの断面積は、同じであってもよく、異なっていてもよい。すなわち、使用する光の波長をλ1、λ2、λ3(λ1<λ2<λ3;例えば、λ1=1.31μm、λ2=1.49μm、λ3=1.55μm)とすれば、コア13bは、波長λ3の光に対してはシングルモードのコアとなり、波長λ1及び波長λ2の光に対してはマルチモードのコアとなっており、コア13a及び13caは波長λ1、λ2、λ3の光に対してシングルモードのコアとなっている(コア13a、13caのカットオフ波長をλa、λca、コア13bのカットオフ波長をλbとすれば、λa、λca<λ1<λ2<λb<λ3 となる。)。コア13cb、コア13jは、コア13caと同じコア断面である。
【0058】
しかして、この光合分波器33にあっては、図19に実線矢印で示すように、光ファイバ17aからコア13aに波長λ2の光と波長λ3の光を入射させると、コア13aを伝搬してその端面から出射された光のうち、波長λ3の光はフィルタ素子15で反射してコア13b内を伝搬して光ファイバ17bに結合され、また、波長λ2の光はフィルタ素子15を透過する。フィルタ素子15を透過した波長λ2の光はコア13ca内に入射して伝搬し、コア13caの端面から出射され、フィルタ素子35で反射されてコア13jを伝搬し、コア13jの端面から出射された波長λ2の光は受光素子36で受光される。このとき、コア13aを伝搬した波長λ2の光の一部がコア13aの端部でコア13b側へ回り込んだとしても、コア13bは波長λ2の光に対してはマルチモードになっているので、シングルモードの光ファイバ17bに結合されず、波長λ2の光がコア13bから光ファイバ17bへ入射してノイズとなることがない。
【0059】
また、図19に破線矢印で示すように、発光素子37から波長λ1の光を出射させると、発光素子37から出射した光はコア13cbを伝搬し、コア13cbから出射された波長λ1の光はフィルタ素子35を透過してコア13ca内に入射し、コア13caを伝搬する。コア13caの端面から出射された波長λ1の光は、フィルタ素子15を透過してコア13aに入射し、コア13aを伝搬してその端面から出射された光は光ファイバ17aに結合される。このとき、フィルタ素子15を透過した波長λ1の光の一部がコア13b側へ侵入したとしても、コア13bは波長λ1の光に対してもマルチモードになっているので、シングルモードの光ファイバ17bに結合されず、波長λ1の光がコア13bから光ファイバ17bへ入射してノイズとなることがない。
【0060】
なお、この実施形態ではコア13jに受光素子36を接続しているが、受光素子36の代わりにコア13jにも光ファイバを接続する場合には、
コア13jの断面積>コア13caの断面積
コア13jの断面積>コア13cbの断面積
としてもよい。コア13caとコア13cbの断面積は、同じであってもよく、異なっていてもよい。すなわち、コア13jは、波長λ2の光に対してはシングルモードのコアとなり、波長λ1の光に対してはマルチモードのコアとなっており、コア13ca及び13cbは波長λ1、λ2の光に対してシングルモードのコアとなっている(コア13ca、13cbのカットオフ波長をλca、λcb、コア13jのカットオフ波長をλjとすれば、λca、λcb<λ1<λj<λ2 となる。)。このような構成にすれば、発光子37から出てフィルタ素子35を透過した波長λ1の光は13jをマルチモードで伝搬するので、コア13jに波長λ1の光が侵入しても光ファイバに結合することがない。
【0061】
(第5の実施形態)
図20は本発明の第5の実施形態による光合分波器39の構造を示す平面図である。この光合分波器39にあっては、クラッド40内に複数本のコア41a、41b、41c、41dがジグザグ状に形成されており、各コア41a、41b、41c、41dがクラッド40の両端面に露出している。コア41a及び41bのつながっている箇所においてはクラッド40の端面にフィルタ素子42が接着されており、コア41b及び41cのつながっている箇所においてはクラッド40の端面にフィルタ素子43が接着されており、コア41c及び41dのつながっている箇所においてはクラッド40の端面にフィルタ素子44が接着されている。また、コア41aの端面には、光ファイバ45aが接続され、コア41aの他端にはフィルタ素子42を介して光ファイバ45bが接続され、コア41bの端面にはフィルタ素子43を介して光ファイバ45cが接続され、コア41cの端面にはフィルタ素子44を介して光ファイバ45dが接続され、コア41daの端面には光ファイバ45eが接続されている。各光ファイバ45a〜45eは、使用される波長(この実施形態では、λ1、λ2、λ3、λ4)の光に対してシングルモードとなっている。
【0062】
フィルタ42は、コア41aを伝搬する波長λ1、λ2、λ3、λ4(λ1<λ2<λ3<λ4)のうち波長λ1の光を透過させ、波長λ2、λ3、λ4の光を反射させる特性を有している。フィルタ43は、波長λ1、λ2の光を透過させ、波長λ3、λ4の光を反射させる特性を有している。フィルタ44は、波長λ1、λ2、λ3の光を透過させ、波長λ4の光を反射させる特性を有している。
【0063】
また、コア41aは波長λ1、λ2、λ3、λ4の光に対してシングルモードとなっている。コア41bは波長λ1の光に対してマルチモードとなり、波長λ2、λ3、λ4の光に対してシングルモードとなっている。コア41cは波長λ1、λ2の光に対してマルチモードとなり、波長λ3、λ4の光に対してシングルモードとなっている。コア41dは波長λ1、λ2、λ3の光に対してマルチモードとなり、波長λ4の光に対してシングルモードとなっている。この結果として、
コア41dの断面積 > コア41cの断面積
> コア41bの断面積 > コア41aの断面積
となっている。
【0064】
しかして、この光合分波器39にあっては、光ファイバ45aからコア41aに波長λ1の光、波長λ2の光、波長λ3の光及び波長λ4の光を同時に入射させると、各波長λ1〜λ4の光はコア41aを伝搬し、波長λ1の光はフィルタ素子42を透過して光ファイバ45bに結合し、波長λ2〜λ4の光はフィルタ素子42で反射してコア41bを伝搬する。
【0065】
コア41bを伝搬した光のうち波長λ2の光はフィルタ素子43を透過して光ファイバ45cに結合し、波長λ3、λ4の光はフィルタ素子43で反射してコア41cを伝搬する。ここで、波長λ1の光の一部がコア41aからコア41bに回り込んでコア41bを伝搬したとしても、波長λ1の光はコア41bをマルチモードで伝搬するので、フィルタ素子43を透過しても光ファイバ45cに結合できない。
【0066】
また、コア41cを伝搬した光のうち波長λ3の光はフィルタ素子44を透過して光ファイバ45dに結合し、波長λ4の光はフィルタ素子44で反射してコア41dを伝搬する。ここで、波長λ2の光の一部がコア41bからコア41cに回り込んでコア41cを伝搬したとしても、波長λ2の光はコア41cをマルチモードで伝搬するので、フィルタ素子44を透過しても光ファイバ45dに結合できない。
【0067】
コア41dを伝搬した波長λ4の光は光ファイバ45eに結合する。ここで、波長λ3の光の一部がコア41cからコア41cd回り込んでコア41dを伝搬したとしても、波長λ3の光はコア41dをマルチモードで伝搬するので、光ファイバ45eには結合できない。
【0068】
【発明の効果】
本発明の光合分波器によれば、コアどうしのつながっている箇所を通じて、最も長い波長の光を伝搬させるコアに最も長い波長の光以外の光が入り込んでノイズとなったり迷光となったりするのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】誘電体多層膜フィルタを用いた従来の光合分波器の構造を示す水平断面図である。
【図2】図1のX部を拡大して示す図である。
【図3】コア間の分岐角が16°と24°の場合における、フィルタ位置とフィルタを通過した光の損失量との関係を示す図である。
【図4】本発明の第1の実施形態による光合分波器を示す斜視図である。
【図5】光ファイバ及びコアに沿った図4の光合分波器の断面図である。
【図6】図4に示した光合分波器の平面図である。
【図7】同上の光合分波器の分波動作を説明する図である。
【図8】同上の光合分波器の合波動作を説明する図である。
【図9】比屈折率差とコア断面積からなる二次元平面でコアがシングルモードとなる領域を表した図である。
【図10】(a)(b)(c)は、いずれも第2のコアの断面積を他のコアの断面積よりも大きくする方法を説明する図である。
【図11】波長λ1、λ2、λ3の場合において、コアサイズとコアのモード(シングルモード/マルチモード)との関係を表した図である。
【図12】(a1)(a2)(b1)(b2)(c1)(c2)は光合分波器の製造手順を示す斜視図及び断面図である。
【図13】(d1)(d2)(e1)(e2)(f1)(f2)(g1)(g2)は図12(c1)(c2)の後の工程を示す斜視図及び断面図である。
【図14】(h1)(h2)(i1)(i2)(j1)(j2)は図13(g1)(g2)の後の工程を示す斜視図及び断面図である。
【図15】本発明の第2の実施形態による光合分波器を示す斜視図である。
【図16】同上の光合分波器の分波動作を説明する図である。
【図17】本発明の第3の実施形態による光合分波器を示す水平断面図である。
【図18】本発明の第4の実施形態による光合分波器を示す斜視図である。
【図19】同上の光合分波器の平面図である。
【図20】本発明の第5の実施形態による光合分波器を示す平面図である。
【符号の説明】
11 光合分波器
12 クラッド
13a、13b、13c コア
14 光導波路
15 フィルタ素子
17a、17b、17c 光ファイバ
39 光合分波器
40 クラッド
41a、41b、41c、41d コア
42、43、44 フィルタ素子
45a、45b、45c、45d、45e 光ファイバ
Claims (3)
- 光を閉じ込めて伝搬させる、少なくとも1箇所で光学的につながった複数本のシングルモード用のコアと、前記コアの光学的につながった部分に配置された、特定波長の光を透過又は反射させるフィルタ素子とを有し、
前記フィルタ素子は、該フィルタ素子に入射する前記コアの内部を伝搬する波長の異なる複数のシングルモード光のうち最も長い波長の光のみを反射させることによって、分波して他のコアに伝搬させ、あるいは、異なるコアを伝搬する波長の異なる光を合波して他のコアに伝搬させる光合分波器において、
前記コアのうち最も波長の長い光だけを伝搬させるコアは、最も長い波長の光をシングルモードのまま伝搬させ、かつ、他の波長の光をマルチモード化して伝搬させるように構成されていることを特徴とする光合分波器。 - 前記最も波長の長い光だけを伝搬させるコアの断面積が、他のコアの断面積よりも大きくなっていることを特徴とする、請求項1に記載の光合分波器。
- 光を閉じ込めて伝搬させる、順次ジグザグに光学的につながった複数本のシングルモード用のコアと、前記コアの光学的につながった全ての部分に配置された、特定波長の光を透過又は反射させる複数個のフィルタ素子とを有し、
前記各フィルタ素子には、それぞれ波長の異なる複数のシングルモード光が前記コアから入射し、
前記各フィルタ素子は、入射した波長の異なる複数の光のうち最も波長の短い光だけを透過させ、他の波長の光を反射させる特性を有し、
各フィルタ素子で反射された直後の光が伝搬するコアは、該フィルタ素子で反射する波長の光に対してはシングルモードのまま伝搬させ、かつ、該フィルタ素子を透過する波長の光に対してはマルチモード化して伝搬させるように構成されていることを特徴とする光合分波器。
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