JPS61249004A

JPS61249004A - 光合分波器

Info

Publication number: JPS61249004A
Application number: JP9026985A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Imoto; 克之井本; Katsuki Tanaka; 田中　捷樹; Minoru Maeda; 稔前田; Hiroaki Inoue; 宏明井上; Hiroyoshi Matsumura; 宏善松村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-04-26
Filing date: 1985-04-26
Publication date: 1986-11-06

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、光合分波器に関し、特に光フアイバ通信の光
波長多重伝送に用いられる光合波器、光分波器、および
光合分波器等の光学デバイスと。

それらのデバイスに半導体発光／受光素子等を−体化し
た光モジュールに関するものである。

〔発明の背景〕

光ファイバの伝送特性で重要な要素は、伝送損失と周波
数帯域であり、発光素子の種類によっては、ファイバと
の結合特性も重要となる。光情報伝送、光制御、光計測
等の比較的短距離に用いられる場合には、伝送損失より
も発光素子との結合が問題となるため、できるだけ開口
数（ＮＡ）の大きな光ファイバ、例えば多モードファイ
バが有利である。一方、長波長帯光ファイバは、低損失
。

広帯域の特長を持つので、長距離大容量伝送が実現でき
、中継器の減少による信頼性、経済性、保守性の向上も
期待できる。特に、広帯域ファイバとして、モード分散
のない単一モードファイバが注目されている。単一モー
ドファイバ伝送は、将来の光フアイバ通信の究極的形態
であって、光フアイバ通信における光波長多重伝送が経
済化、サービスの拡張化を計るための重要な技術である
。

すなわち、１本の光伝送路中に複数の信号光を伝搬させ
る光波長多重伝送は、伝送量の増大だけでなく、システ
ム構成の自由度、柔軟性の向上を通じて、光通信の適用
領域の拡大を計る上で重要な方法と考えられている。ま
た、光波長多重伝送において、光合分波器は必須のデバ
イスとなる。

従来の光分波器には、干渉膜フィルタを用いる構成、回
折格子を用いる構成、プリズムを用いる構成等が検討さ
れている（柳井久義著「光通信ハンドブック」朝食書店
発行、１９８２年９月１日。

Ｐ、３２４〜３３１参照）。干渉膜フィルタを用いるも
のは、４分の１波長や２分の１波長に近い光学的厚さの
高／低屈折率誘電体膜を積層した干渉フィルタ膜の波長
選択性を利用して、光分波器を実現している。しかし、
この型の光分波器では、チャネル数の増加に対してフィ
ルタ数を増加させる必要があり、そのためにチャネル数
の増加に伴って挿入損失が増加する傾向にある。また、
回折格子を用いるものとしては、特定の次数に回折光を
集中させるブレーズ回折格子が用いられている。

この型の光分波器では、かなりの多重度までチャネル数
の増加に対する損失増加が殆んどないので。

比較的チャネル数の大きい光分波回路に適する。

また、プリズムを用いるものは、回折格子を用いる前の
初期段階に使用されており、これも１回折格子を用いる
ものと同じく、角度分散型の光分波器である。しかし、
これらの光合分波器は、個別部品の組合せによるハイブ
リッド構成のため、構造が複雑で１部品点数が多く、組
立て加工、光軸調整に時間がかかり、そのために低コス
ト化、小形化は不可能であって、量産性、信頼性ともに
極めて悪い。このような問題点があるため、光通信シス
テムの適用領域拡大は困難となっている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、このような従来の問題点を解決し、従
来より簡単化、経済化が可能な光分波器、光合波器、光
合分波器、および半導体発光／受光素子等を一体化した
光モジュール等の光合分波器を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため１本発明の光合分波器は、テー
パ状に幅を徐々に細くした形状の光導波路と、該光導波
路上に複数の波長の異なる光信号を伝搬させ、テーパ部
での伝搬モードのカットオフ条件により該光導波路から
漏洩した光信号をそれぞれ受光する複数個の受光素子ま
たは該受光素子の全部ないし一部が置換えられた半導体
発光素子とを具備することに特徴がある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面により説明する。

第９図は、光フアイバ中の光の伝搬の原理を示す図であ
る。光ファイバの中心部であるコア２の屈折率をｎｌ、
その外側のクラッド９の屈折率をｎｌとすると、コア２
から光がクラッド９に角度θ１で入射したとき、光がク
ラッド９に角度θ２で透過した場合、それらの屈折角の
間にはスネルの法則により、次の関係が成立つ。

いま、ｎｔ＞ｎｌの場合、θｌ〉θ２であり。

角度θｌを小さくしていくと、θ２が０になって全反射
する。光の全反射で表わされた導波の現象を、光のもう
１つの性質である波動と結び付けるためには、モードと
呼ばれる特定の光の組で表わすのが便利である。すなわ
ち、コア２内で境界と角度θ１をもって進む光は、真空
中での波長をλとすると、伝搬定数ｋＯは次式で表わさ
れる。

この値は、コア２内では、屈折率がｎｌであるために、
波長がλ／　ｎ　Ｌと短くなり、伝搬定数は逆にｋｏｎ
ｌと大きくなる。横方向に進む平面波の伝搬定数の成分
をγとすると、γ＝　（ｋｏ　ｎｒ）ｓｉｎθとなる。

光の強さの横方向の分布は、軸に沿った方向では変わら
ない。この形態をモードといい、光と境界面との角が特
別の値のときにのみ形成される。導波路の横方向におけ
る１周期の位相変化は、コア２の幅を２８とすると、λ
×２ａＸ２と、さらに上下の境界面で２回全反射される
ときにうける位相変化−２φとの和Δφで表わされる。

もし、位相変化量Δφが２πの整数倍、例えばＮ倍にな
っているときには、すべての多重反射される波は同じ位
置で重なるので、１種の定在波となる。Ｎ＝１．２，３
．　　・・・に対応する平面波の重ね合せにより光強度
の強弱ができる模様を示すが、Ｎの値を大きくしていく
と、角度θも大きくなり、全反射の条件を満足するＮに
達する。この値をＮＭＡＸとすると、これ以上のＮに対
しては全反射が起らず、光はクラッド９に抜は出てしま
う。導波モードの数の最大値ＮＭＡＸ以上の角度を持つ
モードは伝搬できないので、カットオフになっていると
いう。

本発明の光合分波器は、光導波路のカットオフ特性を利
用して、光を分波、あるいは合波したものであり、光導
波路、例えば埋込み形、拡散形、装荷形、リッジ形、盛
上げ形等の３次元光導波路に。

光分波素子、光合波素子、あるいは光合分波素子を構成
したものである。さらに、この光導波路上に半導体発光
素子（半導体レーザ、発光ダイオード等）や受光素子、
光変調素子、光スイッチ等の機能素子も一体化したもの
である。

具体的には、光導波路をテーパ状に徐々に細くすること
によって、波長λ１．λ２．・・・λ。

（λｌ〉λ２〉・・・・λｎ）の光を、順次にカットオフ条件により漏洩させる。漏洩する
光導波路の部分に受光素子を順次配置させておけば、光
分波器を構成することができる。また、上記受光素子の
代りに、波長がλ１．λ２．・・・・λｎからなるｎ個
の半導体発光素子を配置すれば、光合波器を構成できる
。さらに、半導体発光素子と受光素子とを混在させれば
、・光合分波器を構成できる。なお、テーパ状光導波路
の形状分布としては、第１０図（ａ）の放物線分布型テ
ーパ状光導波路、第１０図（ｂ）の直線状傾斜分布型テ
ーパ光導波路、第１０図（ｃ）のホーン型テーパ状光導
波路、等を用いることができる。また、波長λｎでカッ
トオフモードとなるための光導波路の幅（または厚み）
ｆｎは、次式を満足するように選択する。

ここで、ｎｐは光導波路の屈折率、ｎｃは上記光導波路
を囲むクラッドの屈折率である。

第１図は、本発明の第１の実施例を示す光導波路のカッ
トオフ特性を利用した光分波素子の構成図である。第１
図（ａ）は上面図であり、第１図（ｂ）は左側面図であ
る。基板３（例えば、Ｇ　ａ　Ａ　Ｉ　Ａｓ、ＬｉＮｂ
Ｃ）１．ガラス、高分子重合体等の材質、屈折率ｎｓ）
上にテーパ状の光導波路２（屈折率ｎＦ、ただし、ｎＦ
＞ｎｓ）が形成されている。

ここでは、テーパ状光導波路２は、放物線分布型をして
いる。いま、矢印１側から波長λ１．λ２゜λ３（ただ
し、λ３〉λ２〉λｌ）の光信号が光導波路２に入射し
た場合を考える。光導波路の幅ｆは、上記λ１．λ２．
λ３の波長の光が導波する値に選ばれているａ　２　ａ
の部分の光導波路の幅ｆ３は、次式を満足するように設
定される。

ただし、ｎｃ：１である。

これにより、波長λ３の光信号は２ａの部分でカットオ
フ条件になるので、漏洩モードとなって矢印４のように
漏洩されて、光導波路から放射される。ただし、λ２．
λ１の光信号が２ａの部分を導波するように、ｆ３を設
定する。具体的には、となるようにする、同じように、
２ｂの部分の光導波路の幅ｆ２を、次式を満足するよう
に設定しておく。

これにより、波長λ２の光信号は２ｂの部分でカットオ
フになり、漏洩モードとなって光導波路から矢印５のよ
うに放射される。この場合も、λ１の光信号は２ｂの部
分を導波するように、に選択する０次に２０の部分の光
導波路の幅ｆ１も、次式を満足するように、設定する。

これにより、波長λ１の光信号２ｃの部分でカットオフ
になり、漏洩モードとなって光導波路から矢印６のよう
に放射される。このようにして、光導波路を伝搬してい
た波長λ３．λ２．λｌの光信号が、それぞれ２　ａ　
ｅ　２　ｂ　＊　２　ｃの部分で順次分波される。従っ
て、２ａ、２ｂ、２ｃの部分に半導体受光素子を配置し
ておけば、光分波器が構成される。また、受光素子の代
りに半導体発光素子を配置しておけば、光合波器が構成
される。さらに、半導体発光素子、受光素子を混在させ
れば、光合分波器になる。なお、第１図〜第８図には。

テーバ状光導波路の各実施例が示されているが。

放物線分布型、直線状傾斜分布型、ホーン型のどの型に
も適用できる（第１０図参照）。

第２図は１本発明の実施例を示す各種形状の導波路の斜
視図である。

光導波路の構成には、第１図のリッジ形以外に、第２図
（ａ）〜第２１！ｌ　（ｄ）に示すような形状のものが
使用できる。第２図（ａ）は、コア部２をクラッド部３
の中に埋込んだ埋込形導波路である。

分波した光信号は、コア部２に接近させて別のコア部（
図示省略）を設け、この別個に設けられたコア部を介し
て漏洩光を伝搬させることにより取り出される。第２図
（ｂ）は、拡散形光導波路である。コア部７は、中心か
ら周辺に行くに従って屈折率が低下するように構成され
ており、光の漏洩をより簡単に行わせることができる。

この場合の光の取り出しは、コア部７に接近させて分波
光伝搬用のコア部を埋込むか、またはコア部７と同じよ
うに、拡散法により形成させたコア部を並設することに
よって行う。次に、第２図（ｃ）は、装荷形溝波路であ
る。これは基板３（屈折率ｎ３）にクラッド部９を形成
し、その上にコア部８　（屈折率ｎｃｗｎｃ＞ｎｓ）を
設けて構成する。次に、第２図（ｄ）は、盛土形導波路
である。基板３にコア部１０が形成されている。

第３図は、本発明の第２の実施例を示す光分波素子の構
成図である。

なお、λ１〜λ３は、すべての実施例において、λｎ〉
λｎ−１＞・・・・λ３〉λ２〉λ１の関係にある。第
３図においては、基板３上にテーバ状の曲がり光導波路
２ｄを設け、漏洩を促進させるようにすると同時に、受
光素子１１，１２．１３の間隔を十分にとれるように意
図している。すなわち、テーバ状の曲がり光導波路にす
ることによって、受光素子１２に波長λ３の光信号が漏
れ込むのを岬制し、また受光素子１３に波長λ２の光信
号が漏れ込むのを抑制することができる。なお、素子１
１，１２．１３のすべて、あるいはそのうちの一部は、
半導体発光素子に置替えることもできる。受光素子１１
，１２．１３の間隔をあけることは、光および電気的漏
話減衰量を大きくとれる点でも有利である。また、受光
素子のサイズを考慮した場合にも、各素子の間隔をあけ
た方が有利である。

第４図は１本発明の第３の実施例を示す光分波素子の構
成図である。

第４図では１分波光を互いに反対側に取り出す場合の例
を示す。すなわち、光導波路２ｅを非対称構造にして、
波長λ２の光信号は、光導波路の部分１４の上側から、
波長λｌの光信号は、光導波路の部分１５の下側から、
それぞれ取り出す。

このため、光導波路は２ｄは、部分１４の上側で下方に
曲がった構造を持ち、部分１５の下側で上方に曲がった
構造を持っている。このように、互いに反対側から光信
号を取り出せば、λ１とλ２の光信号間の光および電気
的漏話減衰量を大きくとることが可能である。また、受
光素子（あるいは１発光素子）の配置スペースを十分に
とることができ、発光素子駆動回路および受光素子受信
回路を同一基板上に集積化することができる。

第５図は、本発明の第４の実施例を示すもので、漏洩光
をより簡単に取り出せるようにした光分波器の構成図で
ある。

光導波路２ｅ（屈折率ｎＥ）に接して、光導波路２ｇ（
屈折率ｎｃ）＋光導波路２ｈ（屈折率ｎＨ）を設け、矢
印５，６方向へのカットオフされた波長λ２．λｌの光
信号を取り出し易くしたものである。ここで、ｎｃｗｎ
ｌ（は、ｎＥとほぼ等しい値（ただし、ｎＥ＞ｎｃ＋ｎ
Ｈ）であるほど、光の取り出しが有効となる。なお、１
２．１３は受光素子である。

第６図は、本発明の第５の実施例を示す光分波素子の構
成図であって、受光素子の前にレンズ１６．１７を設け
た場合を示している。これらのレンズ１６．１７を介し
て漏洩された光信号を受光素子１１．１２に取り込む。

これによって、漏洩光を受光素子１１．１２に効率よく
結合させることができる。また、第６図においては、双
方向用に構成されており、矢印１の方向からは波長λ２
゜λ３の光信号が光導波路２１内に入射し、矢印１８の
方向からは、波長λ１の発光素子の光信号が光導波路２
１に入射し、矢印１９の方向に出ていく。すなわち、端
面２０に光ファイバ（単一モード）を接続しておけば、
波長λ１．λ２．λ３の光信号が上記光フアイバ内を波
長多重双方向伝送されることになる。

第７図は、本発明の第６の実施例を示す光分波器の構造
図であって、テーパ状光導波路２ｊの厚みを傾斜状に変
化させた場合を示す。第７図（ａ）は上面図、第７図（
ｂ）は右側面図である。（ｂ）に示すように、光導波路
２ｊの厚みが傾斜状に変化していると、カットオフ条件
によって光導波路力）ら放射される漏洩光は、光導波路
の厚みが薄い方向に伝搬し、光導波路から矢印４，５．
６のように放射される。勿論、光導波路の幅と波長λ１
゜λ２．λ３との関係が、両式（４）〜（８）を満足す
るように構成しておくことにより、それぞれ矢印４，５
．６のように別個にλ【、λ２．λ３の波長の光信号が
漏洩モードで取り出される。このような構造は１分波光
を一方の側（図では上側）からのみ取り出す場合に有効
である。第７図（ｂ）に示すように、厚い方から薄い方
に傾斜している部分のうち、先端の薄い部分の厚さをあ
まり薄くすると、挿入損失が増加するので、単一モード
光ファイバ伝送条件の範囲内から厚みの寸法を選ぶ。

第８図は、本発明の第７実施例を示す光分波器の構造図
であって、第７図の変形例を示すものである。すなわち
、テーパ状光導波路２ｊ　　（屈折率ｎＪ）の上に薄膜
２ｋ（屈折率ｎ　Ｋ　＋ただし、ｎＫはｎＪに極めて近
い値であるが、ｎＫ＜ｎＪの関係にある）を設けること
により、矢印４，５の方向への分波光の伝搬を促進させ
、受光素子１１゜１２へ導くようにしたものである。な
お、第７図および第８図において、光導波路の厚みに傾
斜を設ける代りに、光導波路の屈折率ｎに上記のような
傾斜を設けるようにしても、はぼ同じ特性を期待できる
。

以上、各実施例について、種々の形状のものについて説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定はされない。

例えば、第１図から第８図までのものを種々組合せた構
成にすることができることは勿論である。すなわち、テ
ーパ状光導波路の形状分布は、前述のように、放物線分
布型、直線状傾斜分布型、ホーン状分布型（第１０図参
照）等の導波路以外にも、これらの組合せや、さらには
曲げ導波路（第３図、第４図、第５図参照）、厚み変化
型導波路（第７図、第８図参照）、屈折率分布型導波路
（第８図参照）等の種々の組合せを用いることができる
。また、これらのテーバ状光導波路は、連続的および不
連続的な形状変化（例えば、連続的なものとしては第１
図、第３図参照、不連続的なものとしては第４図〜第７
図参照）であってもよい。また、対称構造でも、非対称
構造でもよいことは勿論である（対称構造としては、第
１図、第１０図参照、非対称構造としては、第３図〜第
８図参照）、また、第６図に示すレンズ１６．１７には
、フレネルレンズを用いることができる。さらに、光ス
イッチ、光変調素子、電気回路等も、光導波路に形成す
ることができる。なお、波長多重数は、２波以上に適用
することができ、片方向、双方向伝送のいずれにも適用
することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、光導波路型の光
分波器、光合波器、光合分波器、さらには半導体発光／
受光素子、光スイッチ等を内蔵した光デバイスを、１チ
ツプでモノリシックに構成−できるので、簡易化、経済
化を計ることができ。

かつ調整箇所がないため、量産による大幅なコストダウ
ンを期待することができる。さらに、電気回路も光導波
路上に集積すれば、半導体集積回路と同等なコスト、歩
留りを期待することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す光分波器の構造図
、第２図は本発明の光導波路の構造、形状を示す図、第
３図から第８図まではそれぞれ本発明の第２〜第７実施
例を示す光分波器の構成図、第９図は光ファイバの光伝
搬の原理を示す図、第１０図は本発明の光導波路の基本
的構成図である。１：光導波路への光の入射方向、２，２ａ〜２に：光導
波路、コア部、３＝基板、９：クラッド部、１１〜１３
：受光素子または発光素子、１６゜１７：レンズ、７，
８，１０，１４．．１５：光導波路の一部。第　　　１　　　図（ｂ）　　　　（ａ）第　　　２　　　図（ａ）第３図第　　　５　　　図第　　　６　　　図＠７図（ａ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１））
第　　　８　　　図（＆）　　　　（ｂ）第　　　９　　　図第１Ｏ図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）テーパ状に幅を徐々に細くした形状の光導波路と
、該光導波路上に複数の波長の異なる光信号を伝搬させ
、テーパ部での伝搬モードのカットオフ条件により該光
導波路から漏洩した光信号をそれぞれ受光する複数個の
受光素子または該受光素子の全部ないし一部が置替えら
れた半導体発光素子とを具備することを特徴とする光合
分波器。
（２）放物線、直線あるいはホーン状に幅を細くし、さ
らに部分的に曲げを加え、あるいは厚みを部分的に変化
させるか、厚み方向に屈折率を分布させた形状の組合せ
からなるテーパ状の光導波路と、該光導波路上に複数の
波長の異なる光信号を伝搬させ、テーパ部での伝搬モー
ドのカットオフ条件により該光導波路から漏洩した光信
号をそれぞれ受光する複数個の受光素子または該受光素
子の全部ないし一部が置替えられた半導体発光素子とを
具備することを特徴とする光合分波器。
（３）上記光導波路から光信号が漏洩する位置には、テ
ーパ状光導波路に接近して別の光導波路を設けたことを
特徴とする特許請求の範囲第２項記載の光合分波器。
（４）上記光導波路から光信号が漏洩する位置には、テ
ーパ状光導波路に接近してレンズを設けたことを特徴と
する特許請求の範囲第２項記載の光合分波器。
（５）上記光導波路には、光分波器、光合波器、光分合
波器、半導体発光素子／受光素子、光スイッチ、あるい
は電気回路を集積化して、構成することを特徴とする特
許請求の範囲第２項記載の光合分波器。