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光波長合分波器 - 日立電線株式会社
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発明の名称 光波長合分波器
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−13336(P2001−13336A)
公開日 平成13年1月19日(2001.1.19)
出願番号 特願平11−180118
出願日 平成11年6月25日(1999.6.25)
代理人 【識別番号】100071526
【弁理士】
【氏名又は名称】平田 忠雄
【テーマコード(参考)】
2H047
【Fターム(参考)】
2H047 KA02 KA03 LA01 LA19 LA23 TA00 
発明者 秋葉 健次 / 諸澤 健一
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 基板上に、1本以上の入力用チャネル導波路と、1本以上の出力用チャネル導波路と、導波路長を最短なものから最長なものへ所定の長さずつ順次長く設定した複数本のチャネル導波路で構成したアレイ導波路回折格子と、前記入力用チャネル導波路及びアレイ導波路回折格子を接続する扇形の入力側スラブ導波路と、前記出力用チャネル導波路及び前記アレイ導波路回折格子を接続する扇形の出力側スラブ導波路とを備えた光波長合分波器であって、前記入力側スラブ導波路及び前記アレイ導波路回折格子の接続部、又は前記出力側スラブ導波路及び前記アレイ導波路回折格子の接続部のうちの少なくとも一方において、前記アレイ導波路格子を構成する各チャネル導波路の中心軸と、それぞれ隣接するチャネル導波路の中心軸との間隔を、全チャネル導波路にわたって徐々に変化させてなることを特徴とする光波長合分波器。
【請求項2】 前記入力側スラブ導波路の前記接続部及び前記出力側スラブ導波路の前記接続部において、前記アレイ導波路回折格子を構成する前記チャネル導波路を、前記入力スラブ導波路及び前記出力側スラブ導波路に沿ってそれぞれ放射状に配置し、前記各チャネル導波路の中心軸と、それぞれ隣接するチャネル導波路の中心軸との間の所定の基準点に対する角度を、全チャネル導波路にわたって徐々に変化させてなる講求項1に記載の光波長合分波器。
【請求項3】 前記アレイ導波路回折格子を構成する前記チャネル導波路の本数をN、前記各チャネル導波路の番号をi、予め定めた基準のチャネル導波路の番号jとしたとき、前記入力側スラブ導波路又は前記出力側スラブ導波路の前記接続部における第i番目の前記チャネル導波路と第i+1番目の前記チャネル導波路との間の前記所定の基準点に対する角度△θiを、下記式(1)に示すように、徐々に変化させてなる請求項2に記載の光波長合分波器。
△θi=△θj・{1+ΣAk ・|i−j|k } …(1)
(式(1)中、Ak は定数であり、kは1〜Nの整数である。)
【請求項4】 前記式(1)において、所定の定数Aの範囲を−0,001≦Ak ≦0,001(kは1〜Nの整数である)とした請求項3に記載の光波長合分波器。
【請求項5】 前記式(1)において、前記アレイ導波路回折格子を構成するチャネル導波路の本数(N)を1とすることにより、前記角度△θiを下記式(2)に示すものとした請求項3又は4に記載の光波長合分波器。
△θi=△θj・{1+A1 ・|i−j|} …(2)
(式(2)中、A1 は定数であり、A1 ≠0である。)
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光波長合分波器に関し、特に、光源の波長変動に対する損失変動が小さく、かつ安定した光信号の合分波が可能な光波長合分波器に関する。
【0002】
【従来の技術】光波長多重通信において、波長の異なる複数の光信号の合波又は分波(合分波)をする光波長合分波器としてアレイ導波路回折格子が有望視され、種々提案されている(特開平4−116607号公報、特開平4−1634064、特開平4−220624号公報、特開平4−3263084号公報、特開平5−157920号公報)。特に、通過帯域特性を平坦化したアレイ導波路回折格子型光波長合分波器は、光源の波長変動等に対する挿入損失の変動が小さく、安定した光信号の合分波が可能であるため、光波長多重通信に有用なデバイスとして期待されている(米国特許第5412744号)。
【0003】図7は、従来のアレイ導波路回折格子型光波長合分波器を模式的に示す説明図である。ここでは、一例として、9つの光信号λ1 〜λ9 (λ1 <λ2 <…<λ8 <λ9 )を合分波するための光波長合分波器を示す。図7に示すように、従来の光波長合分波器は、基板201上に、入力導波路202と、入力側スラブ導波路204と、長さが後述する△Lずつ異なる複数のチャネル導波路205で形成したアレイ導波路回折格子206と、出力側スラブ導波路207と、9本の出力導波路208とから形成されている。また、入力導波路202と入力側スラブ導波路204の接続部には損失波長特性の通過域特性を平坦化するためのモード変換部203が形成されている。
【0004】図8は、従来のアレイ導波路回折格子型光波長合分波器の所定部位における光信号の電界分布を模式的に示す説明図であり、図8(a)は、モード変換部203のE−E' における光信号の電界分布209、図8(b)は、アレイ導波路回折格子入射端210のF−F' における電界分布211、図8(c)は、アレイ導波路回折格子出射端212のG−G' での電界分布213をそれぞれ示す。
【0005】図9は、従来のアレイ導波路回折格子型光波長合分波器の所定部位における光信号の位相分布を模式的に示す説明図であり、図9(a)、図9(e)、図9(f)は、アレイ導波路回折格子出射端212のG−G' での光信号λ1 、λ5 、λ9 のそれぞれの位相分布214,215,216を示す。
【0006】図10は、従来のアレイ導波路回折格子型光波長合分波器の所定部位における光信号の位相分布の差を模式的に示す説明図であり、図10(a)及び図10(b)は、光信号λ1 、λ9 の位相面214,216とλ5 の位相面215とのそれぞれの位相分布の差217,218を示す。
【0007】図11は、従来のアレイ導波路回折格子型光波長合分波器の集光面219のH−H' における光信号λ1 、λ5 、λ9 の電界分布220,221,222を模式的に示す説明図である。
【0008】以下、図7を用い、かつ適宜他図を参照して、従来の光合分波器の作用を説明する。なお、アレイ導波路回折格子206を構成するチャネル導波路205の隣接間の導波路長差△Lは、下記式(3)で設計されているものとする。
△L=2・m・π/β(λ5 ) … (3)
(式(3)中、mは回折次数(正の整数)を示し、β(λ5 )は光信号λ5 に対するチャネル導波路の伝般定数を示す。)
【0009】入力導波路202から入射された光信号λ1 〜λ9 は、モード変換部203、入力スラブ導波路204、アレイ導波路回折格子205、出力スラブ導波路207、出力導波路208の順で伝搬する。
【0010】図8(a)に示すように、モード変換部203のE−E' における光信号の電界分布209は、左右対称の双峰状である。
【0011】図8(b)に示すように、入力スラブ導波路204のアレイ導波路回折格子206の入射端210のF−F' における電界分布211は、回折の効果で極大値、極小値をもつ分布となる。アレイ導波路回折格子の入射端210のF−F' において、光信号は分割され、各チャネル導波路206を入射・伝搬する。
【0012】図8(c)に示すように、アレイ導波路回折格子205の終端212のG−G' における電界分布213は、各信号ともに入射端210のF−F' での電界分布211を再現する。
【0013】図9(a)、(b)、(c)に示すように、終端212のG−G' における光信号λ1 〜λ9 の位相面214は、光信号によって異なっている。ここで、前記式(3)より、光信号λ5 の位相面215は左右対称となり、他の光信号の位相面は、アレイ導波路回折格子終端219のH−H' に対して、その伝搬定数に応じた傾きを生じる。
【0014】図10に示すように、位相差はアレイ導波路回折格子206のチャネル導波路205において連続的に変化している。各光信号は、出力スラブ導波路207において、この傾きに応じた方向に伝搬する。したがって、各光信号は出力スラブ導波路207の集光面219の異なる点Y1 〜Y9 (図示せず)にそれぞれ集光する。
【0015】ここで、図11に示すように、集光面219のH−H' における各信号の電界分布220,221,222は出力スラブ導波路207の収差等の影響を受ける。光信号λ5 の電界分布221はモード変換部203の電界分布209を再現して左右対称の双峰状となるものの、信号λ1 、λ9 の電界分布220,221は左右非対称となる。非対称は、おもに出力スラブ導波路207の収差が原因であるため、集光面219のH−H' の端に集光する光信号ほど大きくなる。集光面219のH−H' において各信号は、各出力導波路208に入射、伝搬し、出力端223から別々に取り出すことができる。
【0016】図12は、従来のアレイ導波路回折格子型光波長合分波器の損失波長特性224、225,226,227を模式的に示す説明図である。
【0017】図11及び図12に示すように、各出力導波路208の挿入損失は、集光面における光信号の電界分布220,221,222と、各出力導波路208の固有モードの重畳積分で決定される。光信号の電界分布220,221,222が、波長に応じて集光面219のH−H' 上を移動する。電界分布形状も、光信号の集光位置がY5 近傍から離れるにしたがって非対称となる。集光位置がY5 近傍では、電界分布形状221も左右対称に近いため、波長がわずかに変動しても、挿入損矢はあまり変化しない。しかし、集光位置がY1 ,Y9 近傍では、電界分布形状220,222が左右非対称であるため、波長が変動すると、挿入損失は大きく変動する。したがって、波長λ5 の出力導波路208の損失波長特性224は、通過帯域227で平坦な特性となるのに対して、波長λ1 及びλ9 の出力導波路の損失波長特性225,226の通過帯域特性は、傾いた特性とならざるを得なかった。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の光波長合分波器によると、出力側スラブ導波路の収差等により、損失波長特性の通過帯域特性が平坦にならないので、光源の波長が変動したとき、挿入損失が大きく変化するといった問題があり、必ずしも十分に満足し得るものではなかった。
【0019】従って、本発明の目的は、光源の波長変動に対する損失変動が小さく、かつ安定した光信号の合分波が可能な光波長合分波器を提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達成するため、以下の光波長合分波器を提供するものである。
【0021】[1]基板上に、1本以上の入力用チャネル導波路と、1本以上の出力用チャネル導波路と、導波路長を最短なものから最長なものへ所定の長さずつ順次長く設定した複数本のチャネル導波路で構成したアレイ導波路回折格子と、前記入力用チャネル導波路及びアレイ導波路回折格子を接続する扇形の入力側スラブ導波路と、前記出力用チャネル導波路及び前記アレイ導波路回折格子を接続する扇形の出力側スラブ導波路とを備えた光波長合分波器であって、前記入力側スラブ導波路及び前記アレイ導波路回折格子の接続部、又は前記出力側スラブ導波路及び前記アレイ導波路回折格子の接続部のうちの少なくとも一方において、アレイ導波路格子を構成する各チャネル導波路の中心軸と、それぞれ隣接するチャネル導波路の中心軸との間隔を、全チャネル導波路にわたって徐々に変化させてなることを特徴とする光波長合分波器。
【0022】[2]前記入力側スラブ導波路の前記接続部及び前記出力側スラブ導波路の前記接続部において、前記アレイ導波路回折格子を構成する前記チャネル導波路を、前記入力スラブ導波路及び前記出力側スラブ導波路に沿ってそれぞれ放射状に配置し、前記各チャネル導波路の中心軸と、それぞれ隣接するチャネル導波路の中心軸との間の所定の基準点に対する角度を、全チャネル導波路にわたって徐々に変化させてなる前記[1]に記載の光波長合分波器。
【0023】[3]前記アレイ導波路回折格子を構成する前記チャネル導波路の本数をN、前記各チャネル導波路の番号をi、予め定めた基準のチャネル導波路の番号jとしたとき、前記入力側スラブ導波路又は前記出力側スラブ導波路の前記接続部における第i番目の前記チャネル導波路と第i+1番目の前記チャネル導波路との間の前記所定の基準点に対する角度△θiを、下記式(1)に示すように、徐々に変化させてなる前記[2]に記載の光波長合分波器。
△θi=△θj・{1+ΣAk ・|i−j|k } …(1)
(式(1)中、Ak は定数であり、kは1〜Nの整数である。)
【0024】[4]前記式(1)において、所定の定数Aの範囲を−0,001≦Ak ≦0,001(kは1〜Nの整数である)とした前記[3]に記載の光波長合分波器。
【0025】[5]前記式(1)において、前記アレイ導波路回折格子を構成するチャネル導波路の本数(N)を1とすることにより、前記角度△θiを下記式(2)に示すものとした前記[3]又は[4]に記載の光波長合分波器。
△θi=△θj・{1+A1 ・|i−j|} …(2)
(式(2)中、A1 は定数であり、A1 ≠0である。)
【0026】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ具体的に説明する。図1は、本発明の光波長合分波器の一実施の形態であるアレイ導波路回折格子型光波長合分波器を模式的に示す説明図であり、図1(a)は、その全体図で、図1(b)は、アレイ導波路回折格子部の拡大図である。ここでは、一例として、9つの光信号λ1 〜λ9 (λ1 <λ2 <…<λ8 <λ9)を合分波するための光波長合分波器を示す。
【0027】図1(a)に示すように、基板101上に、入力導波路102と、入力側スラブ導波路104と、最短なものから最長なものへ前記式(3)に示すΔLの長さずつ順次長く設定したN本のチャネル導波路105で構成されたアレイ導波路回折格子106と、出力側スラブ導波路107と、9本の出力導波路108とから形成されている。また、入力導波路102と入力側スラブ導波路104の接続部には、損失波長特性の通過域特性を平坦化するためのモード変換部103を形成している。
【0028】図1(b)に示すように、アレイ導波路格回折格子106を構成する各チャネル導波路105は、入力スラブ導波路104の接続部及び出力導波路107の接続部において、入力スラブ導波路104及び出力スラブ導波路107の基準点109,110に対して放射状に配置している。各チャネル導波路105がそれぞれの隣接するチャネル導波路となす角度△θは、アレイ導波路回折格子の下側(B,C側)から上側(B 、C 側)に向かって徐々に変化している。ここで、アレイ導波路回折格子106の第iチャネル導波路が、隣接する第i+1チャネル導波路とがなす角度△θi111は、基準となる第jチャネル導波路及びその角度間隔△θj112に対して、下記式(4)となるように配置している。
△θi=△θj・{1+A・|i−j|} …(4)
(式(4)中、iはアレイ導波路格子を構成するチャネル導波路の番号、jは基準導波路番号、Aは定数で、A≠0である。)
【0029】本発明では、アレイ導波路回折格子106を構成するチャネル導波路105の本数を60本、所定の導波路番号jを30、この第30チャネル導波路と第31チャネル導波路とがなす角度間隔△θ30を0.2(deg.)とし、定数Aを0.0002とした。なお、この定数Aは、前記式(1)に示すように、値の絶対値が小さいと補正の効果が弱く、逆に大きすぎると補正の効果が強すぎるため、−0,001から0,001の範囲とすることが好ましい。
【0030】図2は、本発明の光波長合分波器の一実施の形態であるアレイ導波路回折格子型光波長合分波器の所定部位における電界分布を模式的に示す説明図であり、図2(a)は、光信号のモード変換部103のA−A' での電界分布113、図2(b)は、アレイ導波路回折格子入射端114のB−B' での電界分布115、図2(c)は、アレイ導波路回折格子出射端116のC−C' での電界分布117をそれぞれ示す。
【0031】図3は、本発明の光波長合分波器の一実施の形態であるアレイ導波路回折格子型光波長合分波器の所定部位における光信号の位相分布を模式的に示す説明図であり、図3(a)は、アレイ導波路回折格子入射端114のB−B' における光信号λ1 、λ9 の位相分布118、図3(b)は、アレイ導波路回折格子出射端116における光信号λ1 、λ9 の位相分布119をそれぞれ示す。
【0032】図4は、本発明の光波長合分波器の一実施の形態であるアレイ導波路回折格子型光波長合分波器の所定部位における光信号の位相差を模式的に示す説明図であり、図4(a)は、光信号λ1 とλ5 との位相差120、図4(b)、(c)、(d)は、光信号λ3 、λ7 、λ9 と、λ5 との位相差121,122,123をそれぞれ示す。
【0033】図5は、本発明の光波長合分波器の一実施の形態であるアレイ導波路回折格子型光波長合分波器の集光面124における光信号λ1 、λ3 、λ5 、λ7 、λ9の電界分布125,126,127,128,129をそれぞれ示す。ここで、アレイ導波路回折格子106の隣接チャネル導波路の導波路長差△Lは、前記式(3)を満足するように設計している。
【0034】以下、図1を用い、かつ適宜他図を参照して、本発明の光波長合分波器の作用を説明する。
【0035】光信号λ1 〜λ9 は、入力導波路102、モード変換部103、入力スラブ導波路104、アレイ導波路回折格子106、出力スラブ導波路107、出力導波路108の順で伝搬する。まず、入力導波路102からアレイ導波路入射端114までの伝搬について説明する。
【0036】図1(a)に示すように、入射端130から入射された光信号λ1 〜λ9 は、入力導波路102からモード変換部103へと伝搬する。光信号λ1 〜λ9 はモード変換部103のA−A' で、双峰状の電界分布113に変形される。
【0037】図1(b)に示すように、光信号λ1 〜λ9 は入力スラブ導波路104において回折の効果により広げられ、図2(b)に示すように、アレイ導波路回折格子入射端114のB−B' では、極大値、極小値をもつ分布115となる。
【0038】図3(a)に示すように、位相分布118は、モード変換部103において電界分布を双峰状にしたことにより、一部にπだけずれた分布129を持つ形状となる。
【0039】次に、アレイ導波路回折格子106から出力導波路108までの光信号の様子について説明する。なお、この部分では光信号の波長によって伝搬の様子が異なるため、まず前記式(3)を満足するλ5 について説明し、次にその他の光信号について説明する。
【0040】図1(b)に示すように、光信号λ5 はアレイ導波路回折格子入射端114のB−B' において、各チャネル導波路106に入射・分割され、それぞれのチャネル導波路内を伝搬する。アレイ導波路回折格子終端116のC−C' では再び一つに収束する。
【0041】図2(c)に示すように、電界分布117は、入射端114のB−B' での電界分布115とほぼ同じ形状となる。図3(b)に示す位相分布119については、光信号λ5 が前記式(3)を満足するため、アレイ導波路回折格子伝搬前と全く同じように左右対称で一部にπだけ位相のずれた分布になる。したがって、図1(b)に示すように、光信号λ5 は出力スラブ導波路107上の基準点110に焦点を結ぶ。
【0042】図5に示すように、その電界分布127は、図2(a)に示すモード変換部103での電界分布113とほぼ同形状となる。さらに、図1(b)に示すように、光信号λ5 は基準点110に接続された出力導波路を伝搬し、出力端から出射される。
【0043】以下、λ5 以外の光信号について説明する。ここでは、例として光信号λ1 、λ3 、λ7 、λ9 の場合ついて説明する。図1に示すように、光信号λ1 、λ3 、λ7 、λ9 もそれぞれアレイ導波路回折格子106で分割され、それぞれチャネル導波路105を伝搬する。アレイ導波路回折格子106伝搬後の電界分布は、光信号λ5 の場合とほぼ同じである。
【0044】ただし、図4(a)、(b)、(c)、(d)に示すように、位相分布については、曲線状で、かつ全体的に傾斜している、曲線の度合い及び傾きは光信号λ5 との波長の差が大きくなるほど大きくなっている。位相差が全体的に傾斜しているのは、伝搬定数βが波長分散を持つためであり、この傾きによって集光位置が異なっている。位相差が曲線状になるのはアレイ導波路回折格子106を構成するチャネル導波路105の間隔が前記式(4)に示したように全体的に変化しているためであり、出力スラブ導波路等における収差を相殺する効果を持つ。
【0045】したがって、各光信号は、出力スラブ導波路107の集光面124のD−D'上の点X1 〜X9 (図示せず)にそれぞれ集光し、その電界分布125,126,128,129も収差が相殺され、各光信号とも左右対称の双峰状となる。さらに、各信号は各出力導波路108に入射、伝搬し、出力端131から別々に取り出すことができる。
【0046】図6は、本発明の光波長合分波器の一実施の形態であるアレイ導波路回折格子型光波長合分波器の損失波長特性132を模式的に示す説明図である。
【0047】図5及び図6に示すように、各出力導波路108の挿入損失は、集光面124のC−C' における光信号の電界分布125,126,127,128,129と、各出力導波路108の固有モードの重畳積分で決定される。光信号の電界分布125,126,127,128,129が、波長に応じて集光面124のD−D' 上を、双峰状の形状を保ったまま移動する。そのため、光信号の波長がわずかに変動しても、挿入損失はあまり変化しない。つまり、図6に示すように損失波長特性132は、各光信号の波長λ1 〜λ9 に通過帯域133内の波長変動が生じても通過帯域133が平坦かつ左右対称であるため、挿入損失は増加しない。
【0048】なお、本発明の光波長合分波器に用いられる基板としては、例えば、ガラス基板だけでなく半導体基板等にも形成することができる。また、基板101上に形成されるコア、クラッド、バッファ層についても、ガラス系の材料だけでなく半導体材料など、光学的に透明な材料を用いて形成することも可能である。
【0049】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明の光波長合分波器によると、入力スラブ導波路及び出力スラブ導波路におけるアレイ導波路回折格子の各チャネル導波路の配置角度を最適化することで、出力スラブ導波路における収差等を相殺し、全出力導波路において、平坦な通過域特性を実現できるので、光源の波長変動に対する損失変動が小さく、かつ安定した光信号の合分波が可能な光波長合分波器を提供することができる。
【0050】




 

 


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