JP5751008B2 - 光合分波器および光合分波方法 - Google Patents

Description

この発明は、光学技術に関し、特に、光の合波または分波を行う光合分波器および光合分波方法に関するものである。

従来、スポットサイズがサブミクロンオーダと小さくなる半導体光導波路と例えば光ファイバとの結合損失の低減のために、光導波路の断面形状を変化させることでスポットサイズの変換を行うスポットサイズ変換素子が知られている（例えば、特許文献１）。

特開平５−２４９３３１号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている従来のスポットサイズ変換素子においては、光基本導波モード以外の高次の導波モードが励起されるのを防ぐために、スポットサイズを緩やかに変換させ、光導波路の長さが長くなるので、例えば半導体基板上に集積化された光合分波器の光導波路との結合に適用しようとすると、光合分波器が小さいにもかかわらず、デバイス全体のサイズが大きくなってしまうという問題点があった。また、従来のスポットサイズ変換素子の入力側のスポットサイズがサブミクロンオーダと小さいので、光合分波器の光導波路とスポットサイズ変換素子の入力側との位置ずれに対する結合効率のトレランスも小さいという問題点もあった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、例えば集積化された小型の光合分波器において、従来のスポットサイズ変換素子のようにサイズが大きくなってしまうことなく、外部の光学素子との光学的な結合効率の向上を可能とし、位置ずれに対する結合効率のトレランスを改善することを目的とする。

この発明に係る光合分波器は、互いに異なる波長をもつ複数の光が波長多重光に合波されるか又は波長多重光が互いに異なる波長をもつ複数の光に分波される光合分波部と、複数の光学素子と前記光合分波部との間にそれぞれ光学的に接続され前記互いに異なる波長それぞれに対応する長さをもち前記複数の光がそれぞれマルチモードで導波される複数のマルチモード光導波路と、シングルモードで光が伝搬する１つの光学素子と前記光合分波部との間に光学的に接続され前記互いに異なる波長に対応する長さをもち前記波長多重光がマルチモードで導波される１つのマルチモード光導波路と、を備えたものである。

この発明は、光合分波器において、サイズが大きくなることなく、位置ずれに対する結合効率のトレランスを改善することができる。

この発明の実施の形態１による光合分波器を示す構成図 この発明の実施の形態１による光合分波器を説明するための説明図 この発明の実施の形態１による光合分波器を説明するための説明図 この発明の実施の形態１による光合分波器を説明するための説明図 この発明の実施の形態２による光合分波器を示す構成図 この発明の実施の形態３による光合分波器を示す構成図 この発明の実施の形態４による光合分波器を示す構成図

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による光合分波器を示す構成図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図１において、この光合分波器は、同一の基板としての半導体基板１と、半導体基板１上に形成されたマルチモード光導波路１０１〜１０４と、マルチモード光導波路１０１〜１０４に接続しているスラブ光導波路１１と、スラブ光導波路１１の端面に形成された反射型グレーティング１２と、スラブ光導波路１１に接続され、反射型グレーティング１２を介して入射マルチモード光導波路１０１〜１０４と光学的に結合しているマルチモード光導波路１０５とで構成されている。

図１において、半導体基板１上には、マルチモード光導波路１０１〜１０４とそれぞれ光学的に結合しており、互いに異なる波長をもつ複数の光を出射する複数の光学素子としての発光素子２１〜２４が形成されている。また、マルチモード光導波路１０５から出射した光を集光するための光学レンズ３１と、光学レンズ３１によって集光された光が結合される１つの光学素子としてのシングルモード光ファイバ３２とが設けられている。

図１において、発光素子２１〜２４から出射した各光のスラブ光導波路１１内での伝搬経路４１〜４４を概念的に示す。なお、実際には、スラブ導波路中の光は扇状に広がって伝搬し、グレーティングで反射すると、今度は扇状に収束しながら伝搬するのであるが、伝搬経路４１〜４４は、代表的な光路を抜き出して概念的に示したものである。

また、半導体基板１は、例えば、Ｓｉを構成材料とする基板である。マルチモード光導波路１０１〜１０５およびスラブ光導波路１１は、半導体基板１上に、図示しない３層構造として、Ｓｉを構成材料とする１層のコアと、このコアを上下に挟み、コアより屈折率が低いＳｉＯ_２を構成材料とする２層のクラッドを有するものであり、いわゆる、ＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）として構成されている。

マルチモード光導波路１０１〜１０５およびスラブ光導波路１１においては、上述の３層構造により、層に垂直な方向では、コア厚が薄いことから０次導波モードで、すなわちシングルモードで光が伝播し、層に水平な方向では、コア幅が広いことから０次導波モードに加え高次導波モードで、すなわちマルチモードで光が伝播することになる。

反射型グレーティング１２は、図１における拡大図に示すように、スラブ光導波路１１の凹面形状の側面に鋸歯形状の回折格子構造が形成されたものであり、この構造パラメータで規定される波長および反射角度で、スラブ光導波路１１内を伝搬する光を回折により反射させるものである。なお、スラブ光導波路１１と反射型グレーティング１２とで光合分波部を構成する。

また、発光素子２１〜２４は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系化合物半導体混晶を構成材料とする半導体レーザ、すなわち、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）であり、波長１．２９５μｍ、１．３００μｍ、１．３０５μｍ、１．３１０μｍという１．３μｍ波長帯のレーザ光をそれぞれ発光して出力する。この各波長は、反射型グレーティング１２の各反射波長に対応したものである。

次に動作について説明する。図１において、発光素子２１〜２４から出射した各光は、マルチモード光導波路１０１〜１０４にそれぞれ入射する。マルチモード光導波路１０１〜１０４をマルチモードで導波された互いに異なる波長をもつ複数の光としての各光は、スラブ光導波路１１に入射する。

スラブ光導波路１１に入射した各光が反射型グレーティング１２にて反射するとき、反射型グレーティング１２の構造パラメータを適切に設定することで、互いに異なる波長をもつ４つの光を伝搬経路４１〜４４経由で同位置に集光することが可能となる。この集光点にマルチモード光導波路１０５の端部を配置することにより、スラブ光導波路１１内の伝搬経路４１〜４４からの光をマルチモード光導波路１０５に入射させる。マルチモード光導波路１０５をマルチモードで導波されて、その端面から出射した波長多重光は、光学レンズ３１にて集光し、シングルモード光ファイバ３２の端面に入射する。

以上の動作原理で、実施の形態１による光合分波器は、複数の光学素子としての発光素子２１〜２４から入力した互いに異なる波長をもつ複数の光としての４つの光を合波し、この合波した波長多重光を１つの光学素子としてのシングルモード光ファイバ３２に出力することができる。

ここで、実施の形態１では、マルチモード光導波路ｍ（ただし、ｍ＝１０１〜１０４）の長さｚ_ｍを、式（１）を満足するように設定する。

ただし、式（１）において、ｋ_ｍは、マルチモード光導波路ｍ中をそれぞれ伝搬する光の真空中の波数であり、真空中の波長λ_ｍを用いて２π／λ_ｍと表される。ｎ_ｍは、マルチモード光導波路ｍのコアの波数ｋ_ｍにおける屈折率であり、Ｗは、全導波モードのエバネッセント成分まで含めた仮想的なコア幅の平均値であり、Ｎは自然数である。

同様に、実施の形態１では、マルチモード光導波路１０５の長さｚ_１０５を、式（２）を満足するように設定する。

ただし、式（２）において、ｋ_ａｖｅは、発光素子２１〜２４からそれぞれ出射する光の真空中の波数ｋ_ｍの平均値である。ｎ_ａｖｅは、マルチモード光導波路１０５のコアの波数ｋ_ａｖｅにおける屈折率である。

このとき、マルチモード光導波路１０１〜１０４の長さが式（１）を満足し、マルチモード光導波路１０５の長さが式（２）を満足することで、発光素子２１〜２４とマルチモード光導波路１０１〜１０４との位置ずれに起因する結合トレランス、すなわち、光学結合に対する発光素子と入射光導波路との間の許容位置ずれ量が改善されることになる。

以下では、このように結合トレランスが改善される動作原理を説明する。マルチモード光導波路に入射した光の電磁界分布は、各次の導波モードに基底展開され、式（３）で表される。

ただし、φ_ｉ（ｘ，ｙ）はｉ次導波モードの電磁界分布、β_ｉはｉ次導波モードのｚ方向の伝搬定数、ａ_ｉはｉ次導波モードの振幅係数、θ_ｉはｉ次導波モードの初期位相である。なお、ｚ方向を光の伝搬方向、ｘ方向を光導波路の断面方向とする。また、簡単のため、ここでは２次元系を仮定する。

一方、伝搬方向の伝搬定数β_ｉと、光導波路の断面方向の波数ｋ_ｘとの関係は、式（４）で表される。

ただし、ｋ_０は、マルチモード光導波路中を伝搬する光の真空中の波数であり、マルチモード光導波路１０１〜１０４ではｋ_ｍ（ｍ＝１０１〜１０４）にそれぞれ対応し、マルチモード光導波路１０５ではｋ_ａｖｅに対応する。ｎ_０は、マルチモード光導波路のコア屈折率であり、マルチモード光導波路１０１〜１０４ではｎ_ｍ（ｍ＝１０１〜１０４）にそれぞれ対応し、マルチモード光導波路１０５ではｎ_ａｖｅに対応する。

また、エバネッセント成分まで含めた実効的な光導波路の幅Ｗを用い、モード次数ｉのときの波数ｋ_ｘ＝π（ｉ＋１）／Ｗなので、式（４）より、伝搬方向の伝搬定数β_ｉは式（５）で表される。なお、式（５）の上式から下式への変形にはテイラー展開を用い、高次の項を省略している。

式（３）、式（５）より、距離Ｌだけマルチモード光導波路を伝搬したときの光の電磁界分布は、式（６）で表される。

式（６）において、各モードの位相差が全て２πの整数倍になれば、全てのモードの位相関係が入射時と同じになり、入射光と同じ光の分布がマルチモード光導波路の中に出現する。そのときの長さＬの条件は、式（７）で表される。

ここで、ｉ、Ｊは０以上の整数であり、Ｍは任意の整数である。式（７）は入射モードと同一のパターンが出現する条件であるが、単峰パターンとなれば問題ないことから、入射モードと対称なパターンが出現する条件であっても良い。このときの条件は、各モードの位相差が全て２π×Ｍになるのではなく、奇関数モード（ｉは偶数）と偶関数モード（ｉは奇数）同士の位相差は全て２π×Ｍとなり、奇関数モードと偶関数モードの位相差が全て２π×Ｍ＋πとなるようにＬを定めれば良く、式（８）で表される。

このように、マルチモード光導波路の長さＬが式（８）を満たすとき、マルチモード光導波路の出射端面では入射端面での光の分布が再現される。なお、Ｌをｚ_ｍとし、ｋ_０をｋ_ｍとし、ｎ_０をｎ_ｍとすれば、式（８）は式（１）となり、Ｌをｚ_１０５とし、ｋ_０をｋ_ａｖｅとし、ｎ_０をｎ_ａｖｅとすれば、式（８）は式（２）となる。

従って、マルチモード光導波路１０１〜１０４が式（１）を満足するとき、発光素子２１〜２４からの各出射光が単峰性である場合、マルチモード光導波路１０１〜１０４から出力されてスラブ光導波路１１に入射する光も単峰性となる。発光素子２１〜２４とマルチモード光導波路１０１〜１０４とでそれぞれ位置ずれが生じている場合、マルチモード光導波路１０１〜１０４に対する入射光の偏芯もスラブ光導波路１１への入射時に再現する。

このとき、スラブ光導波路１１への入射光が単峰性であれば、スラブ光導波路１１からマルチモード光導波路１０５に対して出射する光も単峰性になる。これにより、マルチモード光導波路１０５には、発光素子２１〜２４から出射した各波長の単峰性の光が、発光素子２１〜２４とマルチモード光導波路１０１〜１０４との偏芯を保存したままで入射する。

そして、マルチモード光導波路１０５が式（２）を満足するとき、マルチモード光導波路１０１〜１０４と同様に、出射位置で入射位置での光の分布が再現されるので、合波後の光に対しても同様の現象が生じるようになる。すなわち、マルチモード光導波路１０５からは、発光素子２１〜２４から出射した各波長の単峰性の光が、合波された波長多重光として、発光素子２１〜２４とマルチモード光導波路１０１〜１０４との偏芯を保存したままで出射される。

通常、半導体基板上に形成されたシングルモード光導波路と発光素子とを直接的に光学結合させる場合、両者の位置ずれ量が約０．５μｍになると結合効率が約−３ｄＢとなる。一方、マルチモード光導波路を用いると、例えば光導波路幅が１５μｍのときには、両者の位置ずれが約１０μｍになってもほぼ無損失で発光素子の光がマルチモード光導波路に入射する。

そして、本実施の形態１の場合、マルチモード光導波路１０５の出射位置で、マルチモード光導波路１０１〜１０４に入射する光の分布における単峰性と位置ずれを再現できる。マルチモード光導波路１０５から出射した光が光学レンズ３１にて集光されてシングルモード光ファイバ３２に入射するとき、このように単峰性が確保できていれば、約１０μｍの出射点位置ずれで結合効率は約−３ｄＢとなる。これにより、発光素子２１〜２４と光導波路１０１〜１０４との間の許容位置ずれ量が約１０μｍであることと同義になり、結合トレランスが改善されるのである。

次に計算例について説明する。図２〜４は、この発明の実施の形態１による光合分波器を説明するための説明図であり、マルチモード光導波路の長さが式（８）を満足するときに、入射光の分布が出射位置で再現する作用効果について計算例を示す図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。この計算例において、マルチモード光導波路は、コア屈折率が１．４６６、クラッド屈折率が１．４６、コア幅が４６．５μｍのＰＬＣ光導波路である。入射光は、波長が１．３００μｍであり、半値全幅ＦＷＨＭが１５．０μｍのガウシアンである。

図２に、伝搬シミュレーションによる導波光の電界分布を示す。なお、縦軸はｘ方向であり、横軸はｚ方向である。図２において、ガウシアンの入射位置が光導波路の中心位置に一致している場合（図中、「入射位置０μｍ」で示し、以下同様）と、中心位置から５μｍ、７．５μｍ、１０μｍずれた場合について計算を行った。ガウシアンの入射位置にかかわらず、Ｌ＝９．６８ｍｍで入射光と対称のフィールドパターンが再現し、Ｌ＝１９．３６ｍｍで入射光と同じフィールドパターンが再現している。

図３に、導波光のフィールドパターンと入射光のフィールドパターンとの重なり積分の伝搬距離依存性を示す。なお、縦軸は、その重なり積分であり、横軸は伝搬距離である。図３では、対称に再現した位置は明らかにはならないが、入射光と同じフィールドパターンが再現する位置は明確にピークとして示されており、いずれの入射位置でもＬ＝１９．３６ｍｍで重なりが最大の９６％、すなわち、損失が最小の４％（＝−０．１８ｄＢ）となった。これは、この特定の位置で入射光の９６％が再現していることを示す。

図４に、上述の伝搬シミュレーションで計算した各次導波モードの有効屈折率と、それから算出できる伝搬定数をまとめる。図４において、全導波モードの有効屈折率の平均値から導出した実効光導波路幅をコア幅Ｗとして式（８）に代入すると、フィールドパターンが入射光と同一になる伝搬長Ｌは１９．３４ｍｍとなり、上述の伝搬シミュレーションの結果とよく一致することがわかる。

以上のように、この発明の実施の形態１による光合分波器においては、発光素子２１〜２４から入力した互いに異なる波長をもつ４つの光を、式（１）の長さのマルチモード光導波路１０１〜１０４によりそれぞれマルチモードで導波し、反射型グレーティング１２が形成されたスラブ光導波路１１により合波し、この合波した波長多重光を、式（２）の長さのマルチモード光導波路１０５によりマルチモードで導波し、光学レンズ３１を介してシングルモード光ファイバ３２に出力するように構成している。これにより、マルチモード光導波路１０１〜１０５を含めたサイズが大きくなることなく、発光素子２１〜２４との光学的な結合効率の向上を可能とし、これらの位置ずれに対する結合効率のトレランスを改善することができるという作用効果を奏する。

実施の形態２．
上述のように、この発明の実施の形態１による光合分波器は、合波機能を実現するための構成において、反射型グレーティングが形成されたスラブ光導波路と発光素子との位置ずれに対する結合効率のトレランスが改善可能となるようにしたものであるが、この発明の実施の形態２による光合分波器は、実施の形態１の変形例であり、分波機能を実現するための構成において、反射型グレーティングが形成されたスラブ光導波路と受光素子との位置ずれに対する結合効率のトレランスが改善可能となるようにするものである。

図５は、この発明の実施の形態２による光合分波器を示す構成図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図５において、発光素子２１〜２４に代え、複数の光学素子としての受光素子２１ａ〜２４ａを配置するように構成した以外は、この発明の実施の形態１による光合分波器と同様の構成であり、説明を省略する。なお、伝搬経路４１〜４４は、受光素子２１ａ〜２４ａに入射する各光のスラブ光導波路１１内での伝搬経路を概念的に示すものとなる。また、マルチモード光導波路１０１〜１０４の長さが式（１）を満足し、マルチモード光導波路１０５の長さが式（２）を満足することは言うまでもない。

また、受光素子２１ａ〜２４ａは、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系化合物半導体混晶を構成材料とするＰＤ（Ｐｈｏｔｏ−Ｄｉｏｄｅ）であり、波長１．２９５μｍ、１．３００μｍ、１．３０５μｍ、１．３１０μｍという１．３μｍ波長帯のレーザ光をそれぞれ受光して電気信号に変換して出力する。この各波長は、反射型グレーティング１２の各反射波長に対応したものである。

次に動作について説明する。図５において、互いに異なる波長をもつ４つの光が多重化された波長多重光は、シングルモード光ファイバ３２から出射し、光学レンズ３１にて集光し、マルチモード光導波路１０５の端面に入射する。マルチモード光導波路１０５に入射した波長多重光は、マルチモード光導波路１０５をマルチモードで伝搬してスラブ光導波路１１に入射する。

ここで、スラブ光導波路１１に入射した波長多重光が反射型グレーティング１２にて反射するとき、反射型グレーティング１２の構造パラメータを適切に設定することで、波長毎に反射型グレーティング１２での反射角度をずらし、伝搬経路４１〜４４経由で、それぞれ異なるマルチモード光導波路１０１〜１０４に入射させ、波長分波機能を実現する。マルチモード光導波路１０１〜１０４をマルチモードでそれぞれ伝搬した互いに異なる波長をもつ４つの光は、受光素子２１ａ〜２４ａにそれぞれ入射し、受光される。

以上の動作原理で、実施の形態２による光合分波器は、１つの光学素子としてのシングルモード光ファイバ３２から光学レンズ３１経由で入力した波長多重光を分波し、この分波した互いに異なる波長をもつ複数の光としての４つの光を複数の光学素子としての受光素子２１ａ〜２４ａにそれぞれ出力することができる。

このとき、実施の形態１と同様に、マルチモード光導波路１０１〜１０４の長さが式（１）を満足し、マルチモード光導波路１０５の長さが式（２）を満足することで、受光素子２１ａ〜２４ａとマルチモード光導波路１０１〜１０４との位置ずれに起因する結合トレランス、すなわち、光学結合に対する受光素子と出射光導波路との間の許容位置ずれ量が改善される。

以上のように、この発明の実施の形態２による光合分波器においては、光学レンズ３１を介してシングルモード光ファイバ３２から入力した波長多重光を、式（２）の長さのマルチモード光導波路１０５によりマルチモードで導波し、反射型グレーティング１２が形成されたスラブ光導波路１１により分波し、この分波した互いに異なる波長をもつ４つの光を、式（１）の長さのマルチモード光導波路１０１〜１０４によりそれぞれマルチモードで導波し、受光素子２１ａ〜２４ａに出力するように構成している。これにより、実施の形態１と同様に、マルチモード光導波路１０１〜１０５を含めたサイズが大きくなることなく、受光素子２１ａ〜２４ａとの光学的な結合効率の向上を可能とし、位置ずれに対する結合効率のトレランスを改善することができるという作用効果を奏する。

実施の形態３．
上述のように、この発明の実施の形態１による光合分波器は、合波機能を実現するための構成において、反射型グレーティングが形成されたスラブ光導波路と発光素子との位置ずれに対する結合効率のトレランスが改善可能となるようにしたものであるが、この発明の実施の形態３による光合分波器は、合波機能を実現するための構成において、ＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）と発光素子との位置ずれに対する結合効率のトレランスが改善可能となるようにするものである。

図６は、この発明の実施の形態２による光合分波器を示す構成図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図６において、スラブ光導波路１１、反射グレーティング１２に代え、スラブ光導波路１１ａ、スラブ光導波路１１ｂ、シングルモード光導波路アレイ１２ａを配置するように構成した以外は、この発明の実施の形態１による光合分波器と同様の構成であり、説明を省略する。スラブ光導波路１１ａ、１１ｂおよびシングルモード光導波路アレイ１２ａは、光合分波部としてのＡＷＧを構成する。なお、伝搬経路４１〜４４は、発光素子２１〜２４から出射した各光のスラブ光導波路１１ａ内での伝搬経路を概念的に示すものとなる。また、マルチモード光導波路１０１〜１０４の長さが式（１）を満足し、マルチモード光導波路１０５の長さが式（２）を満足することは言うまでもない。

また、マルチモード光導波路１０１〜１０５、スラブ光導波路１１ａ、１１ｂ、およびシングルモード光導波路アレイ１２ａは、半導体基板１上に、図示しない３層構造として、Ｓｉを構成材料とする１層のコアと、このコアを上下に挟み、屈折率がコアより低いＳｉＯ_２を構成材料とする２層のクラッドを有するものであり、いわゆる、ＰＬＣとして構成されている。シングルモード光導波路アレイ１２ａは、０次導波モード、すなわちシングルモードのみが伝播可能な薄いコア厚と狭いコア幅をもつ複数の光導波路がアレイ状に並列配置されたものである。

スラブ光導波路１１ａ、１１ｂにおいては、上述の３層構造により、層に垂直な方向では、コア厚が薄いことから０次導波モードで、すなわちシングルモードで光が伝播し、層に水平な方向では、コア幅が広いことから０次導波モードに加え高次導波モードで、すなわちマルチモードで光が伝播することになる。

次に動作について説明する。図６において、発光素子２１〜２４から出射した各光は、マルチモード光導波路１０１〜１０４にそれぞれ入射する。マルチモード光導波路１０１〜１０４をマルチモードで導波された互いに異なる波長をもつ複数の光としての４つの光は、スラブ光導波路１１ａに入射する。

スラブ光導波路１１ａに入射した４つの光は、スラブ光導波路１１ａではそれぞれ拡散しながら伝搬し、シングルモード光導波路アレイ１２ａとの接続位置に到達する。このとき、伝搬経路４１〜４４でスラブ光導波路１１ａへの入射点が異なるため、それぞれの光でシングルモード光導波路アレイ１２ａの初期位相の関係が異なる。

ここで、シングルモード光導波路アレイ１２ａの複数の光導波路の長さをそれぞれ適切に設定し、スラブ光導波路１２ｂに入射する光の位相関係を全ての光で同一に揃えることで、全ての光をマルチモード光導波路１０５に結合させることができる。マルチモード光導波路１０５をマルチモードで伝搬して、その端面から出射した波長多重光は、光学レンズ３１にて集光し、出射シングルモード光ファイバ３２の端面に入射する。

以上の動作原理で、実施の形態３による光合分波器は、複数の光学素子としての発光素子２１〜２４から入力した互いに異なる波長をもつ複数の光としての４つの光を合波し、この合波した波長多重光を１つの光学素子としてシングルモード光ファイバ３２に出力することができる。

このとき、実施の形態１と同様に、マルチモード光導波路１０１〜１０４の長さが式（１）を満足し、マルチモード光導波路１０５の長さが式（２）を満足することで、発光素子２１〜２４とマルチモード光導波路１０１〜１０４との位置ずれに起因する結合トレランス、すなわち、光学結合に対する発光素子と入射光導波路との間の許容位置ずれ量が改善される。

以上のように、この発明の実施の形態３による光合分波器においては、発光素子２１〜２４から入力した互いに異なる波長をもつ４つの光を、式（１）の長さのマルチモード光導波路１０１〜１０４によりマルチモードで導波し、ＡＷＧにより合波し、この合波した波長多重光を、式（２）の長さのマルチモード光導波路１０５によりマルチモードで導波し、光学レンズ３１を介してシングルモード光ファイバ３２に出力するように構成している。これにより、実施の形態１と同様に、マルチモード光導波路１０１〜１０５を含めたサイズが大きくなることなく、発光素子２１〜２４との光学的な結合効率の向上を可能とし、これらの位置ずれに対する結合効率のトレランスを改善することができるという作用効果を奏する。

実施の形態４．
上述のように、この発明の実施の形態３による光合分波器は、合波機能を実現するための構成において、ＡＷＧと発光素子との位置ずれに対する結合効率のトレランスが改善可能となるようにしたものであるが、この発明の実施の形態４による光合分波器は、実施の形態３の変形例であり、分波機能を実現するための構成において、ＡＷＧと受光素子との位置ずれに対する結合効率のトレランスが改善可能となるようにするものである。

図７は、この発明の実施の形態４による光合分波器を示す構成図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図７において、発光素子２１〜２４に代え、実施の形態２と同様の受光素子２１ａ〜２４ａを配置するように構成した以外は、この発明の実施の形態３による光合分波器と同様の構成であり、説明を省略する。なお、伝搬経路４１〜４４は、受光素子２１ａ〜２４ａに入射する各光のスラブ光導波路１１内での伝搬経路を概念的に示すものとなる。また、マルチモード光導波路１０１〜１０４の長さが式（１）を満足し、マルチモード光導波路１０５の長さが式（２）を満足することは言うまでもない。

次に動作について説明する。図７において、互いに異なる波長をもつ４つの光が多重化された波長多重光は、シングルモード光ファイバ３２から出射し、光学レンズ３１にて集光し、マルチモード光導波路１０５の端面に入射する。そして、実施の形態３と同様の動作により、実施の形態４による光合分波器は、１つの光学素子としてのシングルモード光ファイバ３２から光学レンズ３１経由で入力した波長多重光をＡＷＧにより分波し、この分波した互いに異なる波長をもつ複数の光としての４つの光を複数の光学素子としての受光素子２１ａ〜２４ａにそれぞれ出力することができる。

このとき、実施の形態１と同様に、マルチモード光導波路１０１〜１０４の長さが式（１）を満足し、マルチモード光導波路１０５の長さが式（２）を満足することで、受光素子２１ａ〜２４ａとマルチモード光導波路１０１〜１０４との位置ずれに起因する結合トレランス、すなわち、光学結合に対する受光素子と出射光導波路との間の許容位置ずれ量が改善される。

以上のように、この発明の実施の形態４による光合分波器においては、光学レンズ３１を介してシングルモード光ファイバ３２から入力した波長多重光を、式（２）の長さのマルチモード光導波路１０５によりマルチモードで導波し、ＡＷＧにより分波し、この分波した互いに異なる波長をもつ４つの光を、式（１）の長さのマルチモード光導波路１０１〜１０４によりそれぞれマルチモードで導波し、受光素子２１ａ〜２４ａに出力するように構成している。これにより、実施の形態３と同様に、マルチモード光導波路１０１〜１０５を含めたサイズが大きくなることなく、受光素子２１ａ〜２４ａとの光学的な結合効率の向上を可能とし、位置ずれに対する結合効率のトレランスを改善することができるという作用効果を奏する。

なお、実施の形態１〜４において、上述のような数値、形状、素材、位置関係等に構成が限られるものではない。例えば、互いに異なる波長の数、複数の光学素子の数、入力側の複数のマルチモード光導波路の数を４つとした例を示したが、２つや３つでも良いし、４つ以上であっても良い。また、複数の光学素子、マルチモード光導波路、光合分波部は、半導体基板１上に配置することで、位置調整等で製造が容易となり好適であるが、これに限られるものではなく、別々に固定するようにしても良い。

また、上述の実施の形態１〜４において、式（２）で波長多重光の波数の平均値ｋ_ａｖｅを用いているので、結合トレランスの改善効果を高めることができ、好適であるものの、これに限られるものではなく、例えば、波長多重光の波数の範囲の中央値や、波長多重光の波数の代表値など、波長多重光の波数に対応した値を用いるようにしても良く、同様の作用効果を奏する。

また、上述の実施の形態１〜４において、マルチモード光導波路１０１〜１０５は、Ｓｉ／ＳｉＯ_２を構成材料とするＰＬＣとして構成したものを示したが、これに限られるものではなく、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＧａＡｓ系化合物半導体混晶、ＩｎＰ系化合物半導体混晶、ＬｉＮｂＯ_３結晶またはポリイミドなど、半導体材料、誘電体材料もしくはポリマー材料を構成材料に用いるようにしても良く、また、コア屈折率１．４６６、クラッド屈折率１．４６、コア幅４６．５μｍの数値は、これに限られるものではない。

また、スラブ光導波路１１、反射型グレーティング１２は、Ｓｉ／ＳｉＯ_２を構成材料とするＰＬＣとして構成したものを示したが、これに限られるものではなく、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＧａＡｓ系化合物半導体混晶、ＩｎＰ系化合物半導体混晶、ＬｉＮｂＯ_３結晶またはポリイミドなど、半導体材料、誘電体材料もしくはポリマー材料を構成材料に用いるようにしても良く、また、要するに、スポットサイズが小さいことから、その位置ずれに対する結合効率のトレランスが小さいような光合分波部であれば、どのようなものでも、実施の形態１、２として適用可能である。

また、スラブ光導波路１１ａ、１１ｂ、シングルモード光導波路アレイ１２ａは、Ｓｉ／ＳｉＯ_２を構成材料とするＰＬＣとして構成したものを示したが、これに限られるものではなく、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＧａＡｓ系化合物半導体混晶、ＩｎＰ系化合物半導体混晶、ＬｉＮｂＯ_３結晶またはポリイミドなど、半導体材料、誘電体材料もしくはポリマー材料を構成材料に用いるようにしても良く、また、要するに、スポットサイズが小さいことから、その位置ずれに対する結合効率のトレランスが小さいような光合分波部であれば、どのようなものでも、実施の形態３、４として適用可能である。

また、発光素子２１〜２４は、上述の構成に限られるものではなく、例えば１．５μｍ波長帯や、固体レーザ等を用いるようにしても良く、要するに、光合分波部の合分波波長において、所望の光通信等の光システムを実現するための光を発光するものを、実施の形態１、３として適用可能である。

また、受光素子２１ａ〜２４ａは、上述の構成に限られるものではなく、例えば１．５μｍ波長帯、０．８μｍ波長帯でも良く、Ｇｅ半導体結晶、Ｓｉ半導体結晶等を用いるようにしても良く、要するに、光合分波部の合分波波長において、所望の光通信等の光システムを実現するための光を受光するものを、実施の形態２、４として適用可能である。

また、上述の実施の形態１〜４において、発光素子２１〜２４や受光素子２１ａ〜２４ａといった光学素子は、個別素子に限られるものではなく、例えば同一の基板としての１つの半導体基板上に集積されたような形態であっても良い。この場合、全ての光学素子で、マルチモード光導波路１０１〜１０４との位置ずれが等しくなるので、マルチモード光導波路１０５での光の偏芯量を揃えることができるという作用効果を奏する。特に、発光素子２１〜２４が同一基板上に等間隔に形成されることで、マルチモード光導波路１０１〜１０４と、発光素子２１〜２４から出射した各光の偏芯量が全て一致するため、マルチモード光導波路１０５で現れる単峰の位置が全て一致し、光学レンズ３１にて集光した波長多重光が高効率にシングルモード光ファイバ３２に結合できるという効果がある。なお、複数の光学素子が形成された半導体基板を半導体基板１上に配置するようにすれば、位置調整等で製造が容易となり好適であるが、これに限られるものではなく、複数の光学素子が形成された半導体基板と、光合分波部およびマルチモード光導波路が形成された半導体基板１とを別々に固定するようにしても良い。

また、上述の実施の形態１〜４において、マルチモード光導波路１０１〜１０４に光を入出力する光学素子は、発光素子や受光素子に限られるものではなく、例えば光ファイバのようなものであっても良く、光学レンズとシングルモード光ファイバの組み合わせ、シングルモード光ファイバ単体、マルチモード光ファイバ単体であっても良い。この場合、構成要素を全て受動素子にできるので、光合分波器を簡易に使用することができるという作用効果を奏する。

また、上述の実施の形態１〜４において、マルチモード光導波路１０５と光学的に結合している光学素子は、光学レンズ３１とシングルモード光ファイバ３２の組み合わせに限られるものではなく、マルチモード光導波路１０５からシングルモード光ファイバ３２に直接的に光を出射しても良いし、シングルモード光ファイバでなくマルチモード光ファイバ単体であっても良い。光ファイバに直接的に出射することで、部材点数を削減し、製造が容易になるという効果がある。特に、マルチモード光ファイバを用いる場合、位置ずれに対する結合効率のトレランスが広くなるため、さらに製造が容易になるという作用効果を奏する。

１ 半導体基板
１１、１１ａ、１１ｂ スラブ光導波路
１２ 反射型グレーティング
１２ａ シングルモード光導波路アレイ
２１〜２４ 発光素子
２１ａ〜２４ａ 受光素子
３１ 光学レンズ
３２ シングルモード光ファイバ
１０１〜１０５ マルチモード光導波路

Claims (10)

1. 互いに異なる波長をもつ複数の光が波長多重光に合波されるか又は波長多重光が互いに異なる波長をもつ複数の光に分波される光合分波部と、
   複数の光学素子と前記光合分波部との間にそれぞれ光学的に接続され前記互いに異なる波長それぞれに対応する長さをもち前記複数の光がそれぞれマルチモードで導波される複数のマルチモード光導波路と、
   シングルモードで光が伝搬する１つの光学素子と前記光合分波部との間に光学的に接続され前記互いに異なる波長に対応する長さをもち前記波長多重光がマルチモードで導波される１つのマルチモード光導波路と、
   を備えたことを特徴とする光合分波器。
2. 前記１つのマルチモード光導波路は、前記互いに異なる波長に対する波数の平均値に対応する長さをもつことを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
3. Ｌを前記互いに異なる波長それぞれに対応する長さ又は前記互いに異なる波長に対応する長さとし、ｋ_０を波数とし、ｎ_０を屈折率とし、Ｗをコア幅とし、Ｎを自然数とするとき、
   Ｌ ＝ （２ｋ_０ｎ_０Ｗ^２／π）×Ｎ
   であることを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
4. 前記光合分波部は、
   前記複数のマルチモード光導波路と前記１つのマルチモード光導波路との間に光学的に接続されたスラブ光導波路と、
   前記スラブ光導波路の側面に形成され、互いに異なる波長をもつ複数の光が波長多重光として回折により反射されるか又は波長多重光が互いに異なる波長をもつ複数の光として回折により反射される反射型グレーティングと、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
5. 前記光合分波部は、ＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）であることを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
6. 前記光合分波部、前記複数のマルチモード光導波路および前記１つのマルチモード光導波路は、同一の基板に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
7. 前記複数の光学素子は、発光素子または受光素子であり、前記１つの光学素子は、シングルモード光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
8. 前記複数の光学素子は、同一の基板に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の光合分波器。
9. 前記複数の光学素子および前記１つの光学素子は、光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
10. 互いに異なる波長をもつ複数の光が波長多重光に合波されるか又は波長多重光が互いに異なる波長をもつ複数の光に分波される光合分波ステップと、
    前記光合分波ステップで合波される互いに異なる波長をもつ複数の光がこの互いに異なる波長それぞれに対応する長さをマルチモードで導波されるか又は前記光合分波ステップで分波された互いに異なる波長をもつ複数の光がこの互いに異なる波長それぞれに対応する長さをマルチモードで導波される複数のマルチモード光導波ステップと、
    前記光合分波ステップで互いに異なる波長をもつ複数の光から合波された波長多重光がこの互いに異なる波長に対応する長さをマルチモードで導波されシングルモードで光が伝搬する１つの光素子に出力するか又はシングルモードで光が伝搬する１つの光素子から入力され前記光合分波ステップで互いに異なる波長をもつ複数の光に分波される波長多重光がこの互いに異なる波長に対応する長さをマルチモードで導波される１つのマルチモード光導波ステップと、
    を備えたことを特徴とする光合分波方法。

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