JP4569440B2 - 温度無依存光合分波器 - Google Patents

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アレイ導波路型の温度無依存化した光合分波器、特にその損失の低減を図った温度無依存光合分波器に関する。

光通信の分野においては、複数の信号を別々の波長の光にのせ、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検討されている。この方法では、異なる波長の光を合分波する光合分波器が重要な役割を果たしている。特に、マッハ・ツェンダ干渉計やアレイ導波路を用いた導波路型光合分波器は、多チャンネルかつ狭分波間隔の合分波を実現するのに有利であり、通信容量の多重数を容易に大きくできる利点がある。

図５に、従来のアレイ導波路型光合分波器１２を示す。本構成のアレイ導波路型光合分波器１２は、入力用チャネル導波路１と、入力用チャネル導波路１に接続された入力側スラブ導波路２、出力用チャネル導波路６と、出力用チャネル導波路６に接続された出力側スラブ導波路５と、入力側スラブ導波路２及び出力側スラブ導波路５に接続された複数のチャネル導波路からなるアレイ導波路３とを有する。
入力用チャネル導波路１から入力した光波は入力側スラブ導波路２内を伝搬し、アレイ導波路３に入射する。アレイ導波路３の各チャネル導波路を伝搬する際に光波は位相変化を受け、出力側スラブ導波路５に入射する。出力側スラブ導波路５内の光波は干渉し、出力用チャネル導波路６に到達する。ここで、光波の干渉パターンが波長により異なるため、光合分波機能が実現される。

ここで、通常の材料を用いて光回路を構成した場合、温度が変化すると、熱光学効果によって材料の屈折率が変化し、これによりアレイ導波路３の等価屈折率が変化する。さらに熱膨張によってアレイ導波路３の長さも変化する。このため、温度によってアレイ導波路３で受ける位相変化量が変化してしまう。この変化は波長によって異なるため、結果として出力される分波波長が変化してしまう。ここで、一例として石英系材料で構成した場合を考えると、波長1.55μｍ付近での温度による分波波長の変化は0.01ｎｍ/℃となる。従って、例えば0〜60℃の環境温度で使用する場合には最大0.6ｎｍ波長がシフトしてしまう。このため、このままでは実用システムには使用できず、チャネル導波路、スラブ導波路及びアレイ導波路から構成される光回路の温度制御を行う必要が生じる。

そこで、温度制御手段を必要としない温度無依存化方法として、光回路の一部に溝を設け、その中に屈折率の温度係数が光回路と異なる材料を充填することにより、温度による位相変化の波長依存性を補償する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

一般的に、溝では閉じ込め構造が無いため、大きな回折損失が生じる。そこで、複数の溝を設け、さらに溝同士を最適な溝間隔として溝で集光する作用を生じさせることにより、溝全体としての回折損失を低減する方法がよく採られ（例えば、非特許文献２参照）、この方法をアレイ導波路型光合分波器に取り入れた構造も報告されている（例えば、非特許文献３参照）。

チャネル導波路に溝を形成した場合、溝では基板に関して垂直方向と水平方向のいずれにも回折が生じ、チャネル導波路に溝を取り入れたとしても、十分に損失を下げることが出来ない。

そこで、入力側スラブ導波路に複数の楔形の溝を設けた構造の報告例がある（例えば、非特許文献４参照）。図６は、この構造を採用した温度無依存光合分波器１６で、入力側スラブ導波路２に複数の楔形の溝８ａ〜８ｃを設け、波長依存性の補償を実現している。入力側スラブ導波路２では、基板７に関して垂直方向の回折のみが損失に影響を及ぼすため、チャネル導波路に溝を形成した場合に比べて、損失を低減できる。

一方、コアとクラッドの比屈折率差△を大きくすることにより、一般的に曲がり導波路の曲率半径を小さくし、素子の小型化を実現する方法が知られており、この方法をアレイ導波路型光合分波器に適用した報告がある（例えば、非特許文献５参照）。

比屈折率差△を大きくする場合、スラブ導波路に溝を形成した場合でも、十分に溝での放射損失が抑えられない問題がある。図７（ａ），（ｂ）に、コアとクラッドの比屈折率差△がそれぞれ0.8％の場合と2.5％の場合における、溝幅をパラメータとしたときの溝配置間隔と損失の関係を示す。いずれの△に関しても、各溝幅において最適な溝配置間隔があることが分かる。しかし、△＝0.8％と2.5％で同じ溝幅のときと比較すると、△＝2.5％の場合の方が最小損失が増加してしまうことが分かる。これは、スラブ導波路に溝を形成しても、△が増加すると縦方向の回折損失が無視できなくなってくるためである。

そこで、縦方向(基板に関して垂直方向)の回折損失を低減するために、縦方向にテーパ構造のコアを形成する方法（例えば、非特許文献６参照）を採用して、この構造をスポットサイズ変換器として使用し、溝周囲のスポットサイズを縦方向に広げることにより、回折損失を低減する方法が考えられる。

また、ビームスポット径を変換するビームスポット変換光導波路として、コアを光ビームの伝搬方向に複数個配置したセグメント型導波路を使用し、光ビームの伝搬方向に沿ってコア／クラッド屈折率差を変化させることによって、ビームスポット径を拡大もしくは縮小させ、光部品間の結合効率の向上を図った光伝送モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。

Y.Inoue, et al.,"Athermal silica-based arrayed-waveguide grating (AWG) multiplexer", ECOC 97 Technical Digest, pp. 33-36, 1997 星野等、"PLC集積アイソレータにおける回折損失の低減化構造"、1999年信学総合大会、 C-3-138、 p.292、1999 A.Kaneko, et al., "Athermal silica-based arrayed-waveguide grating (AWG) multiplexers with new low loss groove design," OFC'99 Technical Digest, TuO1, pp.204-206, 1999 Maru, et al., "Athermal and center wavelength adjustable arrayed-waveguide grating", OFC 2000 Technical Digest Hida, et al., "Fabrication of low-loss and polarisation-insensitive 256 channel arrayed-waveguide grating with 25 GHz spacing using 1.5％ △ waveguides", Electron. Lett., vol.36, no.9, pp.820-821、 2000 井藤等、"1.5％-△導波路を用いた超低損失アレイ導波路回折格子"、信学技報、 OPE2002-16, pp.27-30, 2002 特開２００２−１６９０４６号公報

しかしながら、楔形溝での縦方向の回折損失を低減するために、縦方向のテーパ構造のコアを形成する方法を採用した場合、テーパ構造形成のために、エッチングやコア堆積におけるプロセス条件を複雑に制御しなければならない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、コアとクラッドの比屈折率差△を大きくした場合にも、温度無依存化を実現するための、光学樹脂を充填した溝での回折損失を小さく抑えることができる温度無依存光合分波器を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明は、少なくとも１個以上の入力用チャネル導波路と、該入力用チャネル導波路に接続された入力側スラブ導波路と、少なくとも１個以上の出力用チャネル導波路と、該出力用チャネル導波路に接続された出力側スラブ導波路と、前記入力側スラブ導波路と前記出力側スラブ導波路とを接続し、導波路長がそれぞれ異なる複数のチャネル導波路からなるアレイ導波路とを備えた温度無依存光合分波器において、前記入力側スラブ導波路のコアには、複数に分割された分割コアが光の伝搬方向に適宜間隔を隔てて配置された分割コア部が形成され、前記分割コア部を伝搬する光のスポットサイズ径が、前記入力側スラブ導波路の分割されていないコア部を伝搬する光のスポットサイズ径よりも拡大されるように設定され、前記分割コア部の領域に、その屈折率が温度に依存する光学樹脂が充填された複数の楔形の溝が配置され、光の伝搬方向に隣接する前記溝と前記溝との間の領域にも前記分割コアが形成され、前記アレイ導波路を構成する前記チャネル導波路それぞれにおいて温度による屈折率変化により生じる位相変化量を、前記光学樹脂の温度による屈折率変化により生じる位相変化量で相殺し、前記アレイ導波路で発生する温度による位相変化の波長依存性を補償し、中心波長の温度無依存化を行うと共に、前記分割コア部の前記分割コアが光の伝搬方向に周期的に配置され、且つ前記分割コア部の中央部から前記入力側スラブ導波路の分割されていないコア部に近づくにつれて、光の伝搬方向における前記分割コアの長さが徐々に長くなるように設定されている温度無依存光合分波器である。

第２の発明は、少なくとも１個以上の入力用チャネル導波路と、該入力用チャネル導波路に接続された入力側スラブ導波路と、少なくとも１個以上の出力用チャネル導波路と、該出力用チャネル導波路に接続された出力側スラブ導波路と、前記入力側スラブ導波路と前記出力側スラブ導波路とを接続し、導波路長がそれぞれ異なる複数のチャネル導波路からなるアレイ導波路とを備えた温度無依存光合分波器において、前記入力側スラブ導波路のコアには、複数に分割された分割コアが光の伝搬方向に適宜間隔を隔てて配置された分割コア部が形成され、前記分割コア部を伝搬する光のスポットサイズ径が、前記入力側スラブ導波路の分割されていないコア部を伝搬する光のスポットサイズ径よりも拡大されるように設定され、前記分割コア部の領域に、その屈折率が温度に依存する光学樹脂が充填された複数の楔形の溝が配置され、光の伝搬方向に隣接する前記溝と前記溝との間の領域にも前記分割コアが形成され、前記アレイ導波路を構成する前記チャネル導波路それぞれにおいて温度による屈折率変化により生じる位相変化量を、前記光学樹脂の温度による屈折率変化により生じる位相変化量で相殺し、前記アレイ導波路で発生する温度による位相変化の波長依存性を補償し、中心波長の温度無依存化を行うと共に、前記分割コア部の、光の伝搬方向における前記分割コアの長さが一定であり、且つ前記分割コア部の中央部から前記入力側スラブ導波路の分割されていないコア部に近づくにつれて、光の伝搬方向に隣接する前記分割コア間の間隔が徐々に短くなるように設定され、又は、光の伝搬方向に隣接する前記分割コア間の間隔が一定であり、且つ前記分割コア部の中央部から前記入力側スラブ導波路の分割されていないコア部に近づくにつれて、光の伝搬方向における前記分割コアの長さが徐々に長くなるように設定されている温度無依存光合分波器である。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記分割コアが円弧状に形成されていると共に、該円弧状の分割コアの曲率中心は前記入力用チャネル導波路と前記入力側スラブ導波路の接続部乃至その近傍に位置する温度無依存光合分波器である。

第４の発明は、第１ないし第３の発明において、前記コアと該コアの周囲を形成するクラッドとは石英系材料で構成され、前記コアと前記クラッドの比屈折率差は１．０％以上である温度無依存光合分波器である。

本発明の温度無依存光合分波器は、光多重伝送システムに用いられる、光波長合分波器、Ｍ×Ｎ周波数ルーティング装置、Ａｄｄ／Ｄｒｏｐフィルタ等に利用可能である。

本発明によれば、コアとクラッドの比屈折率差△を大きくした場合にも、溝での回折損失を小さく抑えることが可能であり、温度無依存光合分波器の小型化を図れる。また、溝での回折損失を小さく抑える分割コア部の各分割コアは、縦方向にテーパ形状のものなどではなく、縦方向に一定寸法でよく、プロセス工程が複雑化せず作成が容易であり、光合分波器のコストアップを招くことがない。

以下に、本発明に係るアレイ導波路型の温度無依存光合分波器１１の一実施形態を図面を用いて説明する。
図１に、本発明の一実施形態における温度無依存光合分波器１１の光回路上面図を示す。また、図２に、入力側スラブ導波路２の中央部断面図（図１におけるＡ−Ａ’線の拡大断面図）を示す。この温度無依存光合分波器１１は、石英ガラス基板７上に、入力用チャネル導波路１、入力側スラブ導波路２、アレイ導波路３、出力側スラブ導波路５及び出力用チャネル導波路６の導波路がコア１０によって形成されており、石英ガラス基板７及びコア１０はクラッド１５により覆われている。ここで、クラッド１５の屈折率は石英ガラス基板７と同じ１．４５７とし、コア１０の屈折率は１．４９５（比屈折率差△＝２．５％)としている。

入力側スラブ導波路２と出力側スラブ導波路５との間に接続されたアレイ導波路３を構成する複数のチャネル導波路は、光合分波器の小型化を図るために円弧状に曲げられ、且つ内側から外側のチャネル導波路になるにつれて長さが長くなっている。

入力側スラブ導波路２の中央部には、複数の楔形（ないし湾曲した楔形）の溝８ａ〜８ｃが所定の間隔で形成されており、全ての溝８ａ〜８ｃには光学樹脂１４が充填されている。本実施形態では、光回路を構成する石英ガラス基板７、コア１０、クラッド１５が石英系材料であり、石英系材料の屈折率の温度依存性は正の値となるので、光学樹脂１４としては、屈折率の温度依存性が負の値となるシリコーン樹脂を用いている（なお、光学樹脂１４に、同様に負の屈折率温度依存性を有するエポキシ樹脂を用いてもよい）。この構造により、アレイ導波路３の導波路長を異にする各チャネル導波路において温度による屈折率変化により生じる位相変化量を、楔形の光学樹脂１４の温度による屈折率変化により生じる位相変化量で相殺でき、アレイ導波路３で発生する温度による位相変化の波長依存性を補償し、中心波長の温度無依存化を実現している。

入力側スラブ導波路２の溝８ａ〜８ｃの周囲のコアは、複数に分割された分割コア２２が光の伝搬方向に５μｍ周期で周期的に配置された分割コア部２１となっている。分割コア部２１前後のコアは、従来通りコアが連続した状態の分割されていないコア部２３ａ，２３ｂである。各分割コア２２の長さ（光の伝搬方向の長さ）は、溝８ａ〜８ｃ付近の分割コア部２１中央部ではほぼ一定であるが、この分割コア部２１中央部から分割されていないコア部２３ａ，２３ｂに近づくにつれて、徐々に分割コア２２の長さが大きくなるように設定されている。更に、各分割コア２２は円弧状になっており、円弧状の分割コア２２の曲率中心は、入力用チャネル導波路１と入力側スラブ導波路２の接続部ないしその近傍に位置している。

入力用チャネル導波路１から出射した複数波長の光波は、入力側スラブ導波路２で回折により拡大し、アレイ導波路３の各チャネル導波路に入射する。複数に分割して周期的に配置したコアを伝搬する光のスポットサイズは、分割されていないコアを伝搬する光のスポットサイズよりも拡大することが知られている（Z. Weissman et al., “2-D mode tapering via tapered channel waveguide segmentation”, Electron. Lett.,Vol. 28, No.16, pp.1514-1516, 1992 を参照)。従って、溝８ａ〜８ｃの周囲にコアを分割した分割コア部２１を設けることにより、溝８ａ〜８ｃ周囲でのスポットサイズを縦方向（石英ガラス基板７に対して垂直な方向）に広げることができる。その結果、溝８ａ〜８ｃでの回折損失を低減することが可能となる。

また、分割コア２２の長さがほぼ一定の分割コア部２１中央部から分割されていないコア部２３ａ，２３ｂに近づくにつれて、分割コア２２の長さを徐々に大きくすることにより、分割されていないコア部２３ａ，２３ｂと分割コア部２１との間で、導波光のスポットサイズを滑らかに変化させることができ、スポットサイズ拡大による遷移損失を低減することができる。

更に、入力側スラブ導波路２内でコア１０を分割した場合には、屈折率の変化による光の位相変化による収差の低減が必要となる。そこで、本実施形態では、各分割コア２２を円弧状とし、当該円弧状の分割コア２２の曲率中心を入力用チャネル導波路１と入力側スラブ導波路２の接続部ないしその近傍に位置するように形成することにより、この接続部から拡大しつつ入力側スラブ導波路２を伝搬する光に収差が生じることを防いでいる。

図３に、上記実施形態の入力側スラブ導波路２の複数の楔形の溝構造に対して、周期的に配置した分割コア２２の最小の長さ(溝８ａ〜８ｃ付近の分割コア２０の長さ)をパラメータとしたときの、溝配置間隔と分割コア部２１および溝８ａ〜８ｃの遷移損失の計算結果を示す。計算は２次元ビーム伝搬法により行った。分割コア部２１を形成しない従来構造の場合（分割コア２２が５μｍ周期で配置されているから、分割コア２２の長さが５μｍの場合、連続した分割されていないコア部２３ａ，２３ｂと同じになるので、従来構造は、分割コア２２の長さ＝５μｍに対応する）に比べ、分割コア部２１を形成した構造では、溝間隔を最適にしたときの最小損失を低減できる。また、分割コア２２の最小の長さを１μｍと小さくした場合に、最小損失を０．７ｄＢと大幅に低減可能であることが分かる。

図４に、本発明の一実施形態におけるアレイ導波路型光合分波器の作製手順を示す。まず、(１）石英ガラス基板７上にコア（コア膜）１０を電子ビーム蒸着法等により堆積する。次に、(２）フォトリソグラフィ技術によりコア１０表面に光回路パターンのマスク１３を形成し、(３）反応性イオンエッチングにより、入・出力用チャネル導波路１，６、入・出力側スラブ導波路２，５、アレイ導波路３及び分割コア部２１のコア部分以外のコア１０をエッチングし、導波路コアパターンを形成する。次に、(４）マスク１３の剥離を行い、(５）化学気相成長法によりクラッド１５を堆積する。最後に、(６）溝８ａ〜８ｃの形成及び樹脂１４の充填を行う。この作製手順では、導波路１，２，３，５，６と分割コア部２１とを同時に形成することが可能となるため、従来構造を採用した場合に問題となっていた、溝のスポットサイズ変換構造の形成によるプロセスエ程の増加を抑えることが可能となる。

なお、上記実施形態においては、複数に分割された分割コア２２が周期的に配置された分割コア部２１であったが、分割コア部２１の分割コア２２の長さを一定にし、隣接する分割コア２２，２２間の間隔を、この分割コア部２１の中央部から分割されていないコア部２３ａ，２３ｂに近づくにつれて、徐々に分割コア２２，２２間の間隔を短くするようにしてもよい。あるいは、隣接する分割コア２２，２２間の間隔を一定にし、この分割コア部２１の中央部から分割されていないコア部２３ａ，２３ｂに近づくにつれて、徐々に分割コア２２の長さを長くするようにしてもよい。

本発明に係る温度無依存光合分波器の一実施形態の光回路を示す上面図である。 図１の入力側スラブ導波路のＡ−Ａ’線の拡大断面図である。 本発明の一実施形態において、入力側スラブ導波路における溝配置間隔と分割コア部及び溝の損失との関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る温度無依存光合分波器の作製手順を示す図である。 従来のアレイ導波路型光合分波器の光回路を示す図である。 従来の温度無依存光合分波器の光回路を示す図である。 比屈折率差△＝０．８％及び２．５％の導波路における溝配置間隔と損失との関係を示す図である。

符号の説明

１ 入力用チャネル導波路
２ 入力側スラブ導波路
３ アレイ導波路
５ 出力側スラブ導波路
６ 出力用チャネル導波路
７ 石英ガラス基板
８ａ〜８ｃ 溝
１０ コア
１５ クラッド
２１ 分割コア部
２２ 分割コア
２３ａ，２３ｂ 分割されていないコア部

Claims (4)

1. 少なくとも１個以上の入力用チャネル導波路と、該入力用チャネル導波路に接続された入力側スラブ導波路と、少なくとも１個以上の出力用チャネル導波路と、該出力用チャネル導波路に接続された出力側スラブ導波路と、前記入力側スラブ導波路と前記出力側スラブ導波路とを接続し、導波路長がそれぞれ異なる複数のチャネル導波路からなるアレイ導波路とを備えた温度無依存光合分波器において、
   前記入力側スラブ導波路のコアには、複数に分割された分割コアが光の伝搬方向に適宜間隔を隔てて配置された分割コア部が形成され、前記分割コア部を伝搬する光のスポットサイズ径が、前記入力側スラブ導波路の分割されていないコア部を伝搬する光のスポットサイズ径よりも拡大されるように設定され、
   前記分割コア部の領域に、その屈折率が温度に依存する光学樹脂が充填された複数の楔形の溝が配置され、光の伝搬方向に隣接する前記溝と前記溝との間の領域にも前記分割コアが形成され、
   前記アレイ導波路を構成する前記チャネル導波路それぞれにおいて温度による屈折率変化により生じる位相変化量を、前記光学樹脂の温度による屈折率変化により生じる位相変化量で相殺し、前記アレイ導波路で発生する温度による位相変化の波長依存性を補償し、中心波長の温度無依存化を行うと共に、
   前記分割コア部の前記分割コアが光の伝搬方向に周期的に配置され、且つ前記分割コア部の中央部から前記入力側スラブ導波路の分割されていないコア部に近づくにつれて、光の伝搬方向における前記分割コアの長さが徐々に長くなるように設定されていることを特徴とする温度無依存光合分波器。
2. 少なくとも１個以上の入力用チャネル導波路と、該入力用チャネル導波路に接続された入力側スラブ導波路と、少なくとも１個以上の出力用チャネル導波路と、該出力用チャネル導波路に接続された出力側スラブ導波路と、前記入力側スラブ導波路と前記出力側スラブ導波路とを接続し、導波路長がそれぞれ異なる複数のチャネル導波路からなるアレイ導波路とを備えた温度無依存光合分波器において、
   前記入力側スラブ導波路のコアには、複数に分割された分割コアが光の伝搬方向に適宜間隔を隔てて配置された分割コア部が形成され、前記分割コア部を伝搬する光のスポットサイズ径が、前記入力側スラブ導波路の分割されていないコア部を伝搬する光のスポットサイズ径よりも拡大されるように設定され、
   前記分割コア部の領域に、その屈折率が温度に依存する光学樹脂が充填された複数の楔形の溝が配置され、光の伝搬方向に隣接する前記溝と前記溝との間の領域にも前記分割コアが形成され、
   前記アレイ導波路を構成する前記チャネル導波路それぞれにおいて温度による屈折率変化により生じる位相変化量を、前記光学樹脂の温度による屈折率変化により生じる位相変化量で相殺し、前記アレイ導波路で発生する温度による位相変化の波長依存性を補償し、中心波長の温度無依存化を行うと共に、
   前記分割コア部の、光の伝搬方向における前記分割コアの長さが一定であり、且つ前記分割コア部の中央部から前記入力側スラブ導波路の分割されていないコア部に近づくにつれて、光の伝搬方向に隣接する前記分割コア間の間隔が徐々に短くなるように設定され、又は、光の伝搬方向に隣接する前記分割コア間の間隔が一定であり、且つ前記分割コア部の中央部から前記入力側スラブ導波路の分割されていないコア部に近づくにつれて、光の伝搬方向における前記分割コアの長さが徐々に長くなるように設定されていることを特徴とする温度無依存光合分波器。
3. 請求項１または２に記載の温度無依存光合分波器において、前記分割コアが円弧状に形成されていると共に、該円弧状の分割コアの曲率中心は前記入力用チャネル導波路と前記入力側スラブ導波路の接続部乃至その近傍に位置することを特徴とする温度無依存光合分波器。
4. 請求項１ないし３いずれかに記載の温度無依存光合分波器において、前記コアと該コアの周囲を形成するクラッドとは石英系材料で構成され、前記コアと前記クラッドの比屈折率差は１．０％以上であることを特徴とする温度無依存光合分波器。

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