JP4190733B2 - アレイ導波路回折格子型光合分波器 - Google Patents

Description

技 術 分 野
本発明は光波長多重通信に用いられるアレイ導波路回折格子型光合分波器に関し、更に詳しくは、出力導波路における損失波長特性は中心波長付近で優れた平坦性を示し、また、製造時における歩留まりも高いアレイ導波路回折格子型光合分波器に関する。
背 景 技 術
近年、光通信の分野では、情報の伝送容量を飛躍的に高めるために、複数の情報を異なる波長の光に載せて１本の光ファイバで伝送する光周波数多重通信方式の研究が盛んに進められている。そして、そのような多重通信方式を実現するためには、用いる多数の光を合波し、また分波するための光合分波器が必要になる。
その場合、その光合分波器には次のような性能が要求されている。
まず、情報の伝送容量を高めるためには、波長間隔ができるだけ狭い光を多数用いることが効果的であるので、そのような光を合波し、また分波することができるということである。例えば、１．５５μｍ帯域において波長間隔が約０．８ｎｍに相当する１００ＧＨｚの光周波数間隔の光に対する合分波が要求されている。
また、通過波長付近における波長平坦性が優れているということも光合分波器に求められる性能である。
例えば光周波数多重通信システムを構築する際におけるコスト低減のために、光源として廉価なＬＤ光源を用いると、使用環境における温度や湿度などの変動に伴って光源からの発振波長が変動したり、また発振波長の経時変動などを起こすことがある。光源からのこのような発振波長の変動が起こると、光が上記システム内の光合分波器を伝搬する際に、当該光合分波器の通過波長特性に基づき波長変動に対応した量の損失変動が誘発されることになる。そして、この損失変動は、合波・分波する波長間の損失均一性の劣化やＳ／Ｎ比を劣化せしめ、上記システム構築時のコストを高めることになる。
このようなことから、光合分波器の上記した損失変動は小さければ小さいほど好ましいことになるが、その場合、光合分波器に求められる特性は、例えば損失変動は１ｄＢ以下、すなわち１ｄＢ通過帯域幅が広いという特性になる。
上記したようなことが要求される光合分波器に関しては、アレイ導波路回折格子を用いたものが、特開平８−１２２５５７号公報に開示されている。
この光合分波器の概略を平面図として第８図に示す。この光合分波器は、基板１の上に１本または複数本の入力導波路２が配線され、この入力導波路２には入力側スラブ導波路３が合体され、入力側スラブ導波路３には複数本のチャネル導波路４ａから成るアレイ導波路回折格子４が接続され、アレイ導波路回折格子４には出力側スラブ導波路５が接続され、そしてその出力側スラブ導波路５には複数本の出力導波路６が合体された構造になっている。
この光合分波器における入力導波路２と入力側スラブ導波路３の合体部は、第９図で示したように形成されている。
すなわち、周囲はクラッド材１０で取り囲まれ、路幅がＷ１である入力導波路２は、その端部が路幅方向に拡幅したテーパ部となって入力側スラブ導波路３に接続され、かつ、そのテーパ部の中央にスリット７を形成することにより、前記テーパ部それ自体を等幅な２本の導波路部分２ａ，２ｂにして入力側スラブ導波路３に接続した構造になっている。
この構造の入力導波路２の場合、入力導波路２を伝搬してきた光はテーパ部を経由して入力側スラブ導波路に入力される。このとき、テーパ部の２本の導波路部分２ａ，２ｂがコアとして等価的に機能する。したがって、入力側スラブ導波路３の直前の位置に置いては、光の電界分布は全体として幅方向に広がり、かつ、２個の極大値を有する双峰形状になる。
この光合分波器の場合、約１ｎｍの波長間隔に対し、その３ｄＢ通過帯域幅が約０．８ｎｍの水準を実現したとされている。
しかしながら、この先行技術においては、出力導波路６から出力した光の平坦性に関する検討、すなわち、より詳細にいえば、実際の光周波数多重通信システムに適用するときの重要な特性である１ｄＢ通過帯域に関する検討はほとんど行われていない。
そこで、本発明者らは、第８図，第９図で示した光合分波器を実際に製作し、その損失波長特性を調査してみた。
すなわち、石英系の導波路で、入力導波路２の路幅Ｗ１を６．５μｍ，入力側スラブ導波路３の接続部幅Ｗ２を１５．０μｍ，台形状のスリット７における入力導波路２との接続幅ＣＷを１．０μｍ，スリット７における入力側スラブ導波路３との接続幅ＳＷを２．０μｍ，テーパ部のテーパ角θを０．４°に設計し、また導波路の比屈折率差を０．８％，路高を６．５μｍにして、波長間隔が１００ＧＨｚ間隔である光、すなわち１．５５μｍ帯域において約０．８ｎｍの波長間隔になる光合分波器を製作した。そして、１．５５μｍ帯域の光を入力導波路２に入力して損失波長特性を調べた。
そのときの入力側スラブ導波路３の直前の位置における光の電界分布を第１０図に、また出力導波路６における損失波長特性を第１１図にそれぞれ示す。
ここで、第１０図における横軸は、入力側スラブ導波路３の直前の位置における幅方向を示し、その０位置は、上記幅方向の中心位置、すなわち第９図における幅Ｗ２の中心点を示している。また第１１図における横軸は出力導波路６を伝搬する光の波長を示し、その０位置は伝搬する光の中心波長を示している。
なお、電界分布を実測するためには、製作した光合分波器を破壊することが必要になるが、ここでは、ビーム伝搬法（ＢＰＭ）によるシュミレーションで代替した。
第１０図で明らかなように、電界分布は、極大値ａ，ｂを有し、その間に極小値ｃを有する双峰形状を示した。そして、２つの極大値ａ，ｂの間隔は７．０μｍであり、ｃ／ａ比は０．５９であった。
また、損失波長特性に関しては、最低の通過損失よりも損失が１ｄＢ高くなる波長範囲である１ｄＢ通過帯域幅は０．３７ｎｍ，３ｄＢ通過帯域幅は０．５０ｎｍであった。
また、特開平８−１２２５５７号公報には、第９図で示した入力導波路と入力側スラブ導波路との合体部において、ＳＷ／Ｗ２比を０．２〜０．６に設定することにより３ｄＢ通過帯域幅は一層広くなるとの記載がある。
そこで、本発明者らは、第９図における前記合体部において、接続幅ＳＷを３．０μｍに設定した外は前記したと同じパラメータで合体部を形成して光合分波器を製作し、そのときの電界分布，通過損失を前記した場合と同様の条件で調べてみた。なお、このとき、合体部におけるＳＷ／Ｗ２比は０．２になっている。
入力側スラブ導波路の直前の位置における光の電界分布を第１２図に、出力導波路からの光の損失波長特性を第１３図にそれぞれ示す。
この場合、第１２図における極大値ａ，ｂ間の間隔は１０．３μｍとなり、第１０の場合の間隔（７．０μｍ）よりも広くなった。しかし、ｃ／ａ比は０．２７となり、電界分布の極大値と極小値の差は大きくなった。また、第１３図の損失波長特性において、３ｄＢ通過帯域幅は０．６３ｎｍであり、第１１の場合の値（０．５ｎｍ）よりも広くなった。しかしながら、出力した光の平坦性は悪く、中心波長における通過損失は最低の通過損失より１ｄＢを超えて高くなってしまい、１ｄＢ通過帯域幅は、中心波長を含まない状態で２つの部分に分離してしまった。すなわち、１ｄＢ通過帯域幅を広げることはできなかった。
以上の結果から次のことが明らかとなる。
（１）入力側スラブ導波路の直前の位置における光の電界分布を双峰形状にしてその極大値ａ，ｂ間の間隔を広くすると、損失波長特性における３ｄＢ通過帯域幅は広くなる。
（２）入力側スラブ導波路の直前の位置における双峰形状の電界分布で極小値／極大値の差が大きくなると、出力導波路の損失波長特性において中心波長位置での通過損失が大きくなってしまい、その結果、１ｄＢ通過帯域幅は中心波長を含まない２つの部分に分離してしまう。
この（２）の問題は、前記したように、光周波数多重通信システムを構築するときに用いる光合分波器にとって極めて不都合な問題である。
このように、特開平８−１２２５５７号公報に開示されている光合分波器は、３ｄＢ通過帯域を広げるという点で効果を発揮するが、１ｄＢ通過帯域を広げることに関しては充分とはいえないという問題がある。
また、この光合分波器の場合、入力導波路と入力側スラブ導波路の合体部に形成されて入力光の平面的な電界分布を双峰形状に変換させるためのスリット構造はＹ分岐形状になっていて、閉じた空間になっており、それを精度よく形成するということは困難であり、したがって製造時の歩留まりが悪くなるという問題もある。
本発明は、特開平８−１２２５５７号公報で開示されている光合分波器における上記した問題を解決し、その光合分波器に比べて、３ｄＢ通過帯域幅、１ｄＢ通過帯域幅のいずれもが広くなるアレイ導波路回折格子型光合分波器の提供を目的とする。また同時に、上記光合分波器に比べれば製造時の歩留まりも高くなるアレイ導波路回折格子型光合分波器の提供を目的とする。
発明の開示
上記した目的を達成するために、本発明においては、
下記から成るアレイ導波路回折格子型光合分波器：
入力導波路と、前記入力導波路の端部に合体する入力側スラブ導波路と、前記入力側スラブ導波路に接続されたチャネル導波路から成るアレイ導波路回折格子と、前記アレイ導波路回折格子に接続された出力側スラブ導波路と、前記出力側スラブ導波路にその端部が合体する出力導波路とを備えている；
前記入力導波路と前記入力側スラブ導波路の合体部または前記出力導波路と前記出力側スラブ導波路の合体部では、前記入力導波路の端部または前記出力導波路の端部が前記入力側スラブ導波路または前記出力側スラブ導波路の方に向かって路幅方向に順次拡幅するテーパ部になっている；
前記端部と離隔して互いに独立する２個の狭幅導波路部分が前記テーパ部のテーパに沿って延在して配置されている；そして、
前記狭幅導波路部分と離隔して１個の広幅導波路部分が配置されている、が提供される。
前記合体部を構成する前記広幅導波路部分は、前記入力側スラブ導波路の入力端部または前記出力側スラブ導波路の出力端部と一体化していることが好ましい。
又、この広幅導波路部分が、前記入力側スラブ導波路の入力端部または前記出力側スラブ導波路の出力端部と離隔して配置されていることが好ましい。
さらに、本発明においては、下記から成るアレイ導波路回折格子型光合分波器：
入力導波路と、前記入力導波路の端部に合体する入力側スラブ導波路と、前記入力側スラブ導波路に接続されたチャネル導波路から成るアレイ導波路回折格子と、前記アレイ導波路回折格子に接続された出力側スラブ導波路と、前記出力側スラブ導波路にその端部が合体する出力導波路とを備えている；
前記入力導波路と前記入力側スラブ導波路の合体部または前記出力導波路と前記出力側スラブ導波路の合体部には、前記入力側スラブ導波路の直前または前記出力側スラブ導波路の直後における光の電界分布が光の進行方向に対して直交する幅方向で双峰形状になる入力手段または出力手段を備えている；そして、
前記入力手段と前記入力側スラブ導波路との接続部または前記出力手段と前記出力側スラブ導波路の接続部には、前記双峰形状の電界分布の中央落ち込みよりも小さい落ち込みになる双峰形状の電界分布にする導波路が配置されている、が提供される。
第１図は、本発明の光合分波器の１例を示す概略平面図であり、第２図は入力導波路と入力側スラブ導波路との合体部の１例Ａを示す平面図である。
まず、本発明の光合分波器は、基板１の上に、１本または複数本の入力導波路２が低屈折率のクラッド材１０で埋設された状態で配線され、この入力導波路２の端部は入力側スラブ導波路３と合体され、入力側スラブ導波路３には複数本のチャネル導波路４ａから成るアレイ導波路回折格子４が接続され、そしてその出力側スラブ導波路５には複数本の出力導波路６の端部が合体された構造になっている。この点は、第８図で示した特開平８−１２２５５７号公報に開示されている光合分波器と変わるところはない。
最大の特徴は次のところにある。
すなわち、第２図で示したように、路幅Ｗ１の入力導波路２は、その端部２Ａが光軸に対して角度θで路幅方向に順次拡幅するテーパ部になっていて、その先端は光軸と直交する端面２Ｂになっている。
そして、この端面２Ｂからギャップｇ１の距離を置いて２本の狭幅導波路部分８，８が互いに独立して配置されている。
すなわち、上記した２本の狭幅導波路部分８，８は、第２図のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である第３図に示したように、それぞれがクラッド材１０の中に埋設された状態で配置されている。
そして、これらの狭幅導波路部分８，８の端面８Ａは前記した端面２Ｂと平行関係にあり、また各狭幅導波路８，８はいずれも前記した入力導波路端部におけるテーパ部２Ａのテーパ角度θと同じ角度θで入力側スラブ導波路３の方に延在して配置され、その先端は前記した端面８Ａと平行関係をなして端面８Ｂになっている。
また、これら狭幅導波路部分８，８の先方、すなわち光の進行方向に位置する入力側スラブ導波路３には、長さＨで狭幅導波路部分８，８の端面８Ｂ側に突出し、平面形状が台形になっている広幅導波路部分９が、狭幅導波路部分８，８の接続部分として形成されている。
すなわち、この広幅導波路部分９は、第２図のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である第４図に示したように、全体がクラッド材１０に埋設された状態で入力側スラブ導波路の入力端部に形成されている。
そして、この広幅導波路部分９の端面９Ａと前記した狭幅導波路部分８，８の端面８Ｂの間にはギャップｇ２が形成され、また広幅導波路部分９の側面９Ｂは前記したテーパ角度θをなす傾斜面になっている。
なお、前記した入力導波路２が１本である場合には、前記狭幅導波路部分８，８と幅広導波路部分９は１セットに形成されるが、入力導波路２が複数本である場合には、各入力導波路１本ずつに対して、それぞれ、狭幅導波路部分８，８と幅広導波路部分９が合体される。
この合体部Ａの場合、入力導波路２を伝搬してきた光パワーは、そのテーパ部２Ａで幅方向に拡散したのち２本の狭幅導波路部分８，８を伝搬し、更に広幅導波路部分９に入力して入力側スラブ導波路３の中を伝搬していく。
そのとき、この合体部Ａにおいては、２本の狭幅導波路部分８，８は低屈折率のクラッド材１０の中に埋設された状態になっているので、入力導波路２のテーパ部２Ａから入射して狭幅導波路部分８，８を通過した光の電界分布は、狭幅導波路部分８，８の直後においては、第５図で示したように、中央部ｃが大きく落ち込む双峰形状になる。
そして、この合体部Ａの場合、入力導波路の端部２Ａと狭幅導波路部分８，８と広幅導波路部分９との間には、それぞれ、ギャップｇ１，ｇ２が存在しているので、これらのギャップで光の閉じ込め効果が一旦開放されることにより光の回折効果が発生し、そのため、前記した双峰形状の光の電界分布では、極小値ｃの落ち込みが若干緩和された状態になり、この状態になった光が広幅導波路９に入力して、そこを伝搬する。即ち、広幅導波路９は、入力導波路２と入力側スラブ導波路３の接続部、又は出力導波路６と出力側スラブ導波路５の接続部となる。
そして、上記広幅導波路部分９は高屈折率層であり、３次元的導波路として機能し、ここに前記した電界分布における前記した極小値ｃを有する光が伝搬していくので、第５図で示したように中央部が落ち込んだ双峰形状の電界分布を有する光は広幅導波路９を伝搬する過程で、中央部の極小値ｃの落ち込み度合が緩和されることになり、結局、第６図に示したように、入力側スラブ導波路３へ伝搬する直前における光の電界分布はその極小値と極大値の差が小さくなる。そのため、出力導波路における損失波長特性は中心波長付近で平坦性が良好になる。
また、この合体部Ａの場合、ギャップｇ１，ｇ２を設けることにより、各導波路をエッチングで形成するときに、それらの形状のばらつきを小さくすることができ、第９図で示した従来の光合分波器の製作時にスリットを形成する場合に比べて高い歩留まりの実現が可能である。
このように、本発明の光合分波器は、入力導波路と入力側スラブ導波路の合体部が、光の電界分布を双峰形状にする狭幅導波路部分のような入力手段を備え、また、その双峰形状における中央部の落ち込みを小さな落ち込みに緩和することができる広幅導波路部分を備えているので、出力導波路における損失波長特性を中心波長付近で平坦にすることができる。
第７図は本発明における別の合体部Ｂを示す。
この合体部Ｂは、前記した合体部Ａの場合と異なり、広幅導波路部分９を入力側スラブ導波路３の入力端部３ａからギャップｇ３の距離をおいて離隔せしめた構造になっている。この場合も、入力側スラブ導波路３の直前においては、双峰形状をした光の電界分布における極小値と極大値の差は小さくなり、その結果、通過損失の平坦性が向上する。
なお、上記の説明は、いずれも、合体部が入力導波路と入力側スラブ導波路との間に配置された事例であるが、本発明の光合分波器においては、合体部を出力導波路と出力側スラブ導波路との間に配置した場合であっても同様の機能を発揮する。
発明を実施するための最良の形態
実施例１
Ｓｉ基板の上に、火炎堆積法とフォトリソグラフィーとエッチングを組み合わせて、波長間隔が１００ＧＨｚ間隔、すなわち１．５５μｍ帯域において約０．８ｎｍの波長間隔になる第１図，第２図で示した光合分波器を製作した。
すなわち、Ｓｉ基板の上に、火炎堆積法によって下部クラッド層（ＳｉＯ_２が主成分）、コア層（ＳｉＯ_２が主成分でＴｉを添加）を順次積層したのち全体を加熱して透明ガラス化した。ついで、フォトマスクを用いて前記コア層をドライエッチングし、更に火炎堆積法で上部クラッド層（ＳｉＯ_２が主成分）を堆積して前記ドライエッチング後のコア層を埋設したのち加熱して前記上部クラッド層を透明ガラス化して光合分波器を製作した。
そのときの合体部Ａは、次のような形状になっている。
すなわち、入力導波路２の路幅Ｗ１は６．５μｍ，広幅導波路部分９の幅Ｗ２は１５．０μｍ，突出する長さＨは３０μｍである。そして、全体のテーパ角度θは０．４°，狭幅導波路部分の端面８Ａ間の距離ＣＷは３．０μｍ，端面８Ｂ間の距離ＳＷは３．５μｍであり、ギャップｇ１，ギャップｇ２はいずれも５．０μｍである。また、導波路の比屈折率差は０．８％，各導波路の路高は６．５μｍである。
そして、１．５５μｍ帯域の光を入力導波路２に入力して損失波長特性を調べた。
まず、ビーム伝搬法によるシミュレーションで、入力側スラブ導波路３の直前の位置における光の電界分布を調べたところ、その形状は第６図と同じように双峰形状であった。そして、極大値ａ，ｂ間の間隔は１１．７ｎｍであり、またｃ／ａ比は０．６４であり、極小値の落ち込みは小さかった。
また、出力導波路における損失波長特性に関しては、中心波長付近の損失は小さく全体として平坦性を備え、３ｄＢ通過帯域幅は０．５９ｎｍ，１ｄＢ通過帯域幅は０．４７ｎｍであった。
実施例２
ギャップｇ３を５μｍにし、他のパラメータは合体部Ａの場合と同じにして合体部Ｂを製作した。
この光合分波器につき、実施例１と同様にして入力側スラブ導波路の直前における光の電界分布、損失波長を調べた。
光の電界分布における極大値ａ，ｂ間の間隔は１１．８μｍ，ｃ／ａ比は０．６３であった。また、３ｄＢ通過帯域幅は０．６０ｎｍ，１ｄＢ通過帯域幅は０．４８ｎｍであった。
産業上の利用可能性
本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、入力側スラブ導波路の直前の位置における光の電界分布が双峰形状になり、しかも極大値と極小値の差が小さくなるので、損失波長特性は平坦性が良好となり、その結果、３ｄＢ通過帯域幅，１ｄＢ通過帯域幅のいずれもが従来のアレイ導波路回折格子型光合分波器の場合よりも広くなる。
したがって、光周波数多重通信システムの構築に用いる光合分波器としてその工業的価値は大である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の光合分波器の概略を示す平面図；
第２図は本発明の光合分波器における合体部Ａを示す平面図；
第３図は第２図のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図；
第４図は第２図のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図；
第５図は本発明の光合分波器の広幅導波路部分の直前における光の電界分布を示すグラフ；
第６図は本発明の光合分波器の入力側スラブ導波路の直前における光の電界分布を示すグラフ；
第７図は本発明の光合分波器における別の合体部Ｂを示す平面図；
第８図は従来の光合分波器の概略を示す平面図；
第９図は第８図の光合分波器における接続部を示す平面図；
第１０図は入力側スラブ導波路の直前における光の電界分布を示すグラフ；
第１１図は出力導波路における損失波長特性を示すグラフ；
第１２図力側スラブ導波路の直前における光の別の電界分布を示すグラフ；
第１３図は出力導波路における別の損失波長特性を示すグラフ；
である。

Claims (3)

1. 下記から成るアレイ導波路回折格子型光合分波器：
   入力導波路と、前記入力導波路の端部に合体する入力側スラブ導波路と、前記入力側スラブ導波路に接続されたチャネル導波路から成るアレイ導波路回折格子と、前記アレイ導波路回折格子に接続された出力側スラブ導波路と、前記出力側スラブ導波路にその端部が合体する出力導波路とを備えている；
   前記入力導波路と前記入力側スラブ導波路の合体部または前記出力導波路と前記出力側スラブ導波路の合体部では、前記入力導波路の端部または前記出力導波路の端部が前記入力側スラブ導波路または前記出力側スラブ導波路の方に向かって路幅方向に順次拡幅するテーパ部になっている；
   前記端部と離隔して互いに独立する２個の狭幅導波路部分が前記テーパ部のテーパに沿って延在して配置されている；そして、
   前記狭幅導波路部分と離隔して１個の広幅導波路部分が配置されている。
2. 前記合体部を構成する前記広幅導波路部分は、前記入力側スラブ導波路の入力端部または前記出力側スラブ導波路の出力端部と一体化している請求の範囲第１項に記載のアレイ導波路回折格子型光合分波器。
3. 前記合体部を構成する前記広幅導波路部分が、前記入力側スラブ導波路の入力端部または前記出力側スラブ導波路の出力端部と離隔して配置されている請求の範囲第１項に記載のアレイ導波路回折格子型光合分波器。

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