JP5561304B2 - 光素子 - Google Patents
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Description
さらに、第1波長の第1光が光干渉部で付与される位相差の合計を第1位相差とし、第1波長とは異なる第2波長の第2光が光干渉部で付与される位相差の合計を第2位相差とするとき、第1及び第2位相差を等しくするように、第1及び第2位相調整領域の光伝搬方向に沿った幾何学的長さが構成されている。
具体的な構成の説明に先立ち、図1を参照して、従来のMZ型素子(以下、従来素子とも称する。)との比較により、この発明の特徴を概説する。図1(A)は、従来素子の構造を模式的に示す模式図である。図1(B)は、従来素子の波長分離特性を模式的に示す特性図である。図1(C)は、この発明のMZ型素子の構造を模式的に示す模式図である。図1(D)は、この発明のMZ型素子の波長分離特性を模式的に示す特性図である。なお、図1(A)及び(C)では、発明の理解に資するために、MZ型素子を簡略的に描いている。つまり、基板及びクラッドの図示を省略するとともに、コアを単なる曲線で、及び各構成要素を矩形のボックスで、それぞれ描いている。
i=naλ2×La/λ2−nbλ2×Lb/λ2・・・(2)
ここで、naλ1及びnbλ1は、それぞれ第1及び第2位相調整領域18及び20の、第1光に関する等価屈折率とする。同様に、naλ2及びnbλ2は、それぞれ第1及び第2位相調整領域18及び20の、第2光に関する等価屈折率とする。
i=Saλ2/λ2−Sbλ2/λ2・・・(4)
ここで、Saλ1及びSbλ1は、それぞれ第1及び第2位相調整領域18及び20の、第1光に関する光路長とする。同様に、Saλ2及びSbλ2は、それぞれ第1及び第2位相調整領域18及び20の、第2光に関する光路長とする。
i=ΔSaλ2/λ2−ΔSbλ2/λ2・・・(6)
ここで、ΔSaλ1は(Saλ1−0)と表され、第1アーム12の第1位相調整領域18と、第2アーム14の仮想的な長さ0(ゼロ)の第1位相調整領域との、第1波長λ1に関する光路長差である。また、ΔSaλ2は(Saλ2−0)と表され、第1アーム12の第1位相調整領域18と、第2アーム14の仮想的な第1位相調整領域との、第2波長λ2に関する光路長差である。
ΔLb=i(nbλ2×λ1−nbλ1×λ2)/(−naλ2×nbλ1+naλ1×nbλ2)・・・(8)
ΔLaは、第1及び第2アーム12及び14にそれぞれ設けられた第1位相調整領域の長さの差である。同様にΔLbは、第1及び第2アーム12及び14にそれぞれ設けられた第2位相調整領域の長さの差である。
次に、図2を参照して、干渉次数iと、被選択光が出力される出力ポートot1及びot2との関係について説明する。図2は、位相調整領域を備えない一般的なMZ型素子の概略的な構造を、バー及びクロス出力光BAR及びCRSと共に示す模式図である。なお、図2は、図1(A)と同様に簡略化している。
<a> iがm+1/2(mは0以上の整数)で表される半整数の場合
x=1の場合に対応し、出力ポートot01からバー出力光BARのみが出力される。
<b> iがmで表される整数の場合
x=0の場合に対応し、出力ポートot02からクロス出力光CRSのみが出力される。
<c> iがm±1/4で表される数の場合
x=1/2に対応し、出力ポートot01及びot02の両者から、同じ強度のバー及びクロス出力光BAR及びCRSがそれぞれ出力される。
<d> iが上記<a>〜<c>以外の値の場合
両アームa01及びa02を伝搬する波長λの光に、iに対応して生じる位相差に応じた分配比xで、両ポートot01及びot02からバー及びクロス出力光BAR及びCRSが出力される。
次に、図3を参照して、MZ型素子10で、第1及び第2波長λ1及びλ2とは異なる第3波長λ3(λ3≠λ1かつλ3≠λ2)の第3光を、被選択光と波長分離する場合につき説明する。これは、MZ型素子10を、通信波長が揺らぐ環境で用いられるONUやOLTの光合分波素子に応用する場合に対応する。より詳細には、このMZ型素子10は、上り及び下り通信光の一方の波長が被選択範囲λ1〜λ2で揺らぎ、他方の波長が第3波長λ3で揺らがないような光加入者系通信システムに適用できる。
i=naλ2×La/λ2−nbλ2×Lb/λ2・・・(2)
(i+(j+1/2))=naλ3×La/λ3−nbλ3×Lb/λ3・・・(9)
ここで、jは0以上の整数である。また、naλ3及びnbλ3は、それぞれ第1及び第2位相調整領域18及び20の、第3光に関する等価屈折率とする。
次に、図4を参照して、MZ型素子10の構成を具体的に説明する。図4(A)は、MZ型素子10の構造を概略的に示す平面図であり、図4(B)は、図4(A)のA−A線に沿った断面図である。なお、図4(A)において、クラッドに埋め込まれているために、コアを直接目視することはできないが、強調するために実線で示している。
続いて、図5及び図6を参照して、MZ型素子10の動作を具体的に説明する。図5(A)は、第1及び第2位相調整領域の等価屈折率の波長依存性を示す特性図であり、(B)は、(A)に示す第1及び第2位相調整領域において、干渉条件を満たすLa及びLbを干渉次数とともに示す図である。図6は、MZ型素子10の波長分離特性を示す特性図である。
図5(A)の曲線I及びIIは滑らかであるので、第1及び第2光の波長差dλ(=λ2−λ1)が十分に微小な場合、na及びnbとdλとに下記式(10)及び(11)の線形性が成り立つと見なせる。この場合、式(1)及び(2)の干渉条件をさらに変形することができる。
nbλ2=nbλ1+dλ(dnb/dλ)λ1・・・(11)
ここで、(dna/dλ)λ1は、第1位相調整領域18の等価屈折率naの波長λに対する変化率を表し、図5(A)における曲線Iの波長λ1における傾きに対応する。また、(dnb/dλ)λ1は、第2位相調整領域20の等価屈折率nbの波長λに対する変化率を表し、図5(A)における曲線IIの波長λ1における傾きに対応する。
なお、式(12)を得るに当たっては、第1波長λ1の微小変化dλにより、干渉次数iが(i+di)へと変化すると仮定した。ここでdiは、干渉次数の微小変化を示す。
ところで、第1及び第2波長λ1及びλ2を含む光、つまり、被選択光の第1及び第2位相調整領域18及び20に対する第1及び第2群屈折率nag及びnbgは、従来周知の下記式(14)及び(15)で表される。
nbg=nbAV−λAV(dnb/dλ)AV・・・(15)
ここで、naAV=(naλ1+naλ2)/2とし、nbAV=(nbλ1+nbλ2)/2とする。また、λAV=(λ1+λ2)/2とする。また、(dna/dλ)AV=((dna/dλ)λ1+(dna/dλ)λ2)/2とし、(dnb/dλ)AV=((dnb/dλ)λ1+(dnb/dλ)λ2)/2とする。
なお、式(16)への変形に当たっては、上述の線形性に基づき(dna/dλ)λ1=(dna/dλ)AV及び(dnb/dλ)λ1=(dnb/dλ)AVが成り立つことを利用している。
ここで、式(16)から(17)を差し引くことで、下記式(18)が得られる。
式(18)は、被選択範囲で一定の位相差を得るには、第1位相調整領域18の長さLa及び第1群屈折率nagの積と、第2位相調整領域20の長さLb及び第2群屈折率nbgの積を等しくすれば良いことを示す。このように、式(1)及び(2)に代えて、式(18)を利用して、La及びLbを決定しても良い。
最後に、MZ型素子10の製造方法について簡単に説明する。MZ型素子10は、Si基板上にSiO2層とSi層とがこの順序で積層されたSOI(Si On Insulator)基板を利用して作成される。すなわち、最上層のSi層を利用してコア22aを形成し、BOX(Buried−OXide)層であるSiO2層をクラッド22bの下層に利用する。より詳細には、最上層のSi層を従来公知のドライエッチング法等でパターニングしてコア22aを作成する。そして、このコア22aを埋め込むように、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等で、クラッド22bの上層に対応するSiO2層を形成して、MZ型素子10を得る。
8a 第1主面
10,50,MZ MZ型素子(マッハツェンダ干渉器を用いた光合分波素子)
12,52,a01 第1アーム(第1アーム導波路)
14,54,a02 第2アーム(第2アーム導波路)
16,56 光干渉部
17 第1伝搬領域
17a,17b,17c 第1サブ伝搬領域
18 第1位相調整領域
18a,18b,20a,20b サブ領域
19 第2伝搬領域
19a,19b,19c 第2サブ伝搬領域
20 第2位相調整領域
22 光導波路
22a コア
22b クラッド
C1,C2,c01,c02 光合分波部
in1,in2,in01,in02 入力ポート
ot1,ot2,ot01,ot02 出力ポート
Claims (8)
- コアと、屈折率が該コアの71.4%以下であるクラッドとで構成される光導波路を備え、
該光導波路が、2個の光合分波部と、該2個の光合分波部の間に設けられた光干渉部とを備え、
該光干渉部が、一方の前記光合分波部により分配された光を、他方の前記光合分波部へと、それぞれ伝搬させる第1及び第2アーム導波路とを備え、
前記第1及び第2アーム導波路がそれぞれ第1及び第2位相調整領域を備え、
前記第1及び第2位相調整領域は互いに等価屈折率が異なっており、前記第1アーム導波路を伝搬する光と、前記第2アーム導波路を伝搬する光とに所定の位相差を付与し、
第1波長の第1光が前記光干渉部で付与される位相差の合計を第1位相差とし、前記第1波長とは異なる第2波長の第2光が前記光干渉部で付与される位相差の合計を第2位相差とするとき、
前記第1及び第2位相差を等しくするように、前記第1及び第2位相調整領域の光伝搬方向に沿った幾何学的長さが構成されていることを特徴とする光素子。 - 前記第1及び第2位相差を共に2iπ(iは0を含む1/2の倍数)とすることを特徴とする請求項1に記載の光素子。
- 前記第1及び第2波長の両波長とは異なる第3波長の第3光が前記光干渉部で付与される位相差の合計を第3位相差とするとき、
該第3位相差を2(i+(j+1/2))π(jは0以上の整数)とすることを特徴とする請求項2に記載の光素子。 - 第1及び第2位相差を共に2(i±1/4)π(iは0を含む1/2の倍数)とすることを特徴とする請求項1に記載の光素子。
- 前記第1位相調整領域以外の第1アーム導波路の領域を第1伝搬領域とし、前記第2位相調整領域以外の第2アーム導波路の領域を第2伝搬領域とするとき、
該第1及び第2伝搬領域の光路長が等しく構成されていることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の光素子。 - コアと、屈折率が該コアの71.4%以下であるクラッドとで構成される光導波路を備え、
該光導波路が、2個の光合分波部と、該2個の光合分波部の間に設けられた光干渉部とを備え、
該光干渉部が、一方の前記光合分波部により分配された光を、他方の前記光合分波部へと、それぞれ伝搬させる第1及び第2アーム導波路とを備え、
前記第1及び第2アーム導波路にそれぞれ第1及び第2位相調整領域を備え、
前記光が、第1波長の第1光と、前記第1波長とは異なる第2波長の第2光とを含み、前記第1及び第2位相調整領域の前記光に関する群屈折率をそれぞれ第1及び第2群屈折率nag及びnbgとし、及び前記第1及び第2位相調整領域の光伝搬方向に沿った幾何学的長さを、それぞれLa及びLbとするとき、
La×nag=Lb×nbgが満足され、かつ、
前記第1位相調整領域以外の第1アーム導波路の領域を第1伝搬領域とし、前記第2位相調整領域以外の第2アーム導波路の領域を第2伝搬領域とするとき、
該第1及び第2伝搬領域の光路長が等しく構成されていることを特徴とする光素子。 - 前記光合分波部として、入力された光を2等分して出力する3dBカプラを用いることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の光素子。
- 前記コアとしてSiを用い、前記クラッドとしてSiO2を用いることを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の光素子。
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