JP2625289B2

JP2625289B2 - 導波型光分岐素子

Info

Publication number: JP2625289B2
Application number: JP21977091A
Authority: JP
Inventors: 範夫高戸; 勝就岡本; 勤鬼頭
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1991-08-30
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 1997-07-02
Anticipated expiration: 2012-07-02
Also published as: JPH0561076A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信分野等で用いて
好適な導波型光分岐素子に関するものであり、さらに詳
細には、パワー結合率の波長依存性および偏波依存性を
ともに緩和した導波型光分岐素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光分岐素子は、光情報の分配，光ファイ
バ伝送路のモニタ・試験等に不可欠な光部品であり、目
的に応じて５０％分岐，２０％分岐，数％分岐等の分岐
比（結合率）をもつ分岐素子が必要とされる。さらに、
実際の光ファイバ通信に用いる上で都合がいいように、
波長および偏波状態が変わってもほとんど分岐比が変わ
らない光分岐素子が望まれている。

【０００３】光分岐素子は、その形態により、１）バル
ク型，２）ファイバ型，３）導波型に大別することがで
きる。

【０００４】バルク型は、マイクロレンズやプリズム，
干渉膜フィルタ等を組み合せて構成するものであり、波
長および偏波依存性の少ない分岐素子を提供できるが、
組立調整に長時間を要し、長期信頼性や価格，サイズの
点で問題を残している。

【０００５】ファイバ型は、光ファイバ自身を構成材料
として研磨や融着・延伸工程を経て形成されるものであ
り、波長依存性が低減され、偏波依存性もほとんどない
タイプも実現可能であるが、その作製工程は制御性が悪
いため、再現性が乏しく量産に適しないという欠点があ
る。

【０００６】これらに対して、導波型は、フォトリソグ
ラフィ工程により、平面基板上に一括大量生産できる利
点があり、再現性や小型集積可能性等の点で優れてい
る。また波長依存性の少ない導波型光分岐素子について
も、例えば、Ｋ．Ｊｉｎｇｕｊｉｅｔａｌ．：“Ｍ
ａｃｈ−Ｚｈｅｎｄｅｒｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅ
ｒｔｙｐｅｏｐｔｉｃａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅｃ
ｏｕｐｌｅｒｗｉｔｈｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｆｌａｔ
ｔｅｎｅｄｃｏｕｐｌｉｎｇｒａｔｉｏ”，Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．２６，ｐｐ．１３２
６−１３２７，１９９０に記載されている。

【０００７】図１１は、従来の広波長域動作導波型光分
岐素子の構成例を示す平面図である。同図において、シ
リコン基板１上に光導波路１ａ，１ｂが配置され、光導
波路１ａ，１ｂは２箇所で互いに近接して方向性結合器
２ａ，２ｂを構成する。光導波路１ａの片端３ａを入力
ポートとし、光導波路１ａ，１ｂの他端３ｂ，４ｂを、
それぞれ、主出力ポート，副出力ポートとしている。２
個の方向性結合器２ａ，２ｂ間の光導波路１ａ，１ｂの
光路長差が微小量ΔＬに設定されている。このように設
定されたマッハ・ツェンダ光干渉計回路では、２個の方
向性結合器間に、光路長差ΔＬによる位相差

【０００８】

【数１】 θ＝２π・ｎ・ΔＬ／λ （１）（ここで、ｎ＝光導波路の屈折率、λ＝波長）が存在し、図１１のマッハ・ツェンダ光干渉計型光分岐
素子全体としてのパワー結合率ηは、次式で与えられ
る。

【０００９】

【数２】 η＝sin²φ₁ cos²φ₂ ＋cos²φ₁ sin²φ₂ ＋2cosθsin φ₁ sin φ₂ cos φ₁ cos φ₂ （２）ここで、φ₁ ，φ₂ は２個の方向性結合器２ａ，２ｂの
結合率η₁ ，η₂ とη₁ ＝sin²φ₁ ，η₂ ＝sin²φ₂ な
る関係をもつ変数であり、方向性結合器の結合部の光導
波路間隔や結合部長さ，波長，偏波等に依存する。

【００１０】微小光路長差ΔＬおよび２つの方向性結合
器２ａ，２ｂの光導波路間隔や結合部長さ等の構造パラ
メータを適切に設定することによって、２つの方向性結
合器２ａ，２ｂの波長依存性と位相差θの波長依存性が
所望波長域で都合よく打ち消しあい、波長依存性の小さ
い所望の結合率をもった導波型光分岐素子を実現でき
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この分
岐素子においては、方向性結合器の結合率自体が依存性
をもつため、わずかではあるがパワー結合率に偏波依存
性があった。

【００１２】図１２は、図１１に示した広波長域動作導
波型光分岐素子の結合率の波長および偏波依存性の一例
を示すが、この例では、波長１．２５〜１．６５μｍの
範囲で波長依存性は極めて小さいが、特に短波長側でＴ
Ｍ，ＴＥ２モードによる結合率の差が２．５％程度あ
る。図１３は、さらにこの素子の波長１．３１μｍにお
ける主出力ポート，副出力ポートの損失の偏光角度依存
性を示したものであるが、副出力ポートの偏波状態によ
る損失変動が大きい。このような欠点は光ファイバ通信
に使用する上で大きな問題であった。

【００１３】そこで、本発明の目的は、上記の欠点を解
決し、広い波長域において、結合率の波長依存性が非常
に少なく、かつその偏波依存性も、たとえば２０％±
０．５％と緩和された低損失な導波型光分岐素子を提供
することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、基板と、前記基板上に配置された
第１および第２の光導波路と、前記第１および第２の光
導波路を２箇所で互いに近接させて構成した第１および
第２の方向性結合器とを具え、前記第１の光導波路の一
方の端部を入力ポートとし、前記第１および第２の光導
波路の各他方の端部を、それぞれ、主出力とする導波型
光分岐素子において、前記第１および第２の光導波路の
うち前記第１および第２の方向性結合器の間を連結する
部分に光路長差を設けるとともに、当該部分の少なくと
もいずれか一方の一部分にテーパ状光導波路を設けて、
前記第１および第２の方向性結合器の波長および偏波依
存性を当該テーパ状光導波路の波長および偏波依存性で
緩和するように構成したことを特徴とする。

【００１５】ここで、前記光導波路は、単一モード光フ
ァイバのコア径にほぼ等しいコア部寸法を有する石英系
光導波路とすることができる。

【００１６】

【作用】本発明では、制御された微小量ΔＬだけの長さ
の差が与えられた２本の光導波路により方向性結合器２
個を連結して基板上に構成されたマッハ・ツェンダ光干
渉計回路形の光分岐素子において、２本の光導波路のう
ち２個の方向性結合器の間における部分の少なくとも一
方をテーパ状光導波路とすることにより、これら２個の
方向性結合器を連結する部分に偏波により異なる位相差
を与えて、方向性結合器の波長依存性だけでなく偏波依
存性も緩和し、以て、従来のマッハ・ツェンダ光干渉計
回路形の光分岐素子と大きく異なり、方向性結合器自体
の結合率の波長依存性のみならず偏波依存性をも緩和し
て、素子全体として所望波長域で、波長依存性の少な
い、低損失な光分岐素子を提供することができる。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１８】図１は、本発明の導波型光分岐素子の基本
的な構成例を示す平面図であり、平面基板１の上に光導
波路１ａ，１ｂが配置され、光導波路１ａ，１ｂは２箇
所で互いに近接して方向性結合器２ａ，２ｂを構成す
る。光導波路１ａの片端３ａを入力ポートとし、光導波
路１ａ，１ｂの他端３ｂ，４ｂを、それぞれ、主出力ポ
ート，副出力ポートとしている。光導波路１ａのうち、
方向性結合器２ａ，２ｂとの間の一部はテーパ状の幅広
の光導波路１ｃとなっている。２個の方向性結合器２
ａ，２ｂ間の光導波路１ａ，１ｂの光路長差が微小量Δ
Ｌに設定されている。このように設定されたマッハ・ツ
ェンダ光干渉計回路では、２個の方向性結合器２ａ，２
ｂ間に

【００１９】

【数３】 Θ＝θ＋θ′ （３）の位相差が存在する。式（３）における第１項θは光路
差ΔＬにより生ずる位相差で式（２）で与えられ、第２
項θ′は２個の方向性結合器を連結する導波路の一部が
テーパ状となっているために生じる位相差である。θは
波長依存性はあるが偏波にはほとんど依存しないのに対
し、θ′は波長依存性および偏波依存性の双方共に有す
る。

【００２０】図１のマッハ・ツェンダ光干渉計型光分岐
素子全体としてのパワー結合率ηは、従来例の図１１の
マッハ・ツェンダ光干渉計型光分岐素子の場合と同様
に、次式で与えられる。

【００２１】

【数４】 η＝sin²φ₁ cos²φ₂ ＋cos²φ₁ sin²φ₂ ＋2cosΘsin φ₁ sin φ₂ cos φ₁ cos φ₂ （４）ここで、φ₁ ，φ₂ は２個の方向性結合器の結合率η
₁ ，η₂ とη₁ ＝sin²φ₁ ，η₂ ＝sin²φ₂ なる関係を
もつ変数であり、方向性結合器２ａ，２ｂの結合部の光
導波路間隔や結合部長さ，波長，偏波等に依存する。本
発明の作用を理解しやすいように、２個の方向性結合器
が同じ場合（φ₁ ＝φ₂ ＝φ）について説明する。この
場合、（４）式は次のように書き換えられる。

【００２２】

【数５】 η＝sin （２φ）・（１＋cos Θ）／２（５）本発明は、（５）式におけるsin （２φ）項すなわち方
向性結合器の波長依存性と偏波依存性を、（１＋cos
Θ）／２項の波長依存性および偏波依存性、すなわち、
（３）式の位相差θの波長依存性および位相差θ′の波
長依存性および偏波依存性を利用して、同時に打ち消す
ことに原理を置いている。もちろん、sin（２φ）項の
波長依存性と偏波依存性を、（１＋cosΘ）／２項の波
長依存性および偏波依存性が、所望波長域で都合よく打
ち消しあい、波長依存性および偏波依存性の小さい所望
の結合率を実現するには、（４）あるいは（５）式を吟
味して、方向性結合器２ａ，２ｂの結合率の波長依存
性、ΔＬ値およびテーパ導波路形状を適切に設定するこ
とが必要である。

【００２３】以下に、偏波依存性を緩和するための設計
指針を説明する。シリコン基板上に形成した石英系ガラ
ス光導波路による方向性結合器においては、その結合率
（sin²φ）は、単調増加するような波長域においては、
ＴＭモードに対しての方がＴＥモードに対しての方より
も大きい。図１の構成において、ある波長域で波長依存
性が小さい分岐素子を得るためには、その波長域で結合
率が単調増加するような方向性結合器で構成し、かつ
（５）式の（１＋cos Θ）／２項が単調減少する必要が
あり、従って、この位相差による項をＴＥモードにおい
てよりＴＭモードでの方が小さくなるように設定すれ
ば、すなわちテーパ状導波路による位相差θ′がＴＭモ
ードでの方が大きくなるようにすれば、光分岐素子全体
として波長依存性も少なく、かつ偏波依存性が緩和され
ることになる。

【００２４】以下、実施例によって本発明を詳細に説明
する。以下の実施例では、光導波路としてシリコン基板
上に形成した石英系単一モード導波路を使用している
が、これは、石英系単一モード光導波路が単一モード光
ファイバとの接続性に優れ、実用的な導波型光分岐素子
を提供できるからであって、本発明は、石英系光導波路
に限定されるものではない。

【００２５】実施例１図２，図３，図４および図５は、本発明の導波型光分岐
素子の第１実施例として、波長域１．２５μｍ〜１．７
μｍで、２０％±２％の結合率を有するよう設計した分
岐素子の構成を示す、それぞれ、平面図、図２における
線分ＡＡ′，ＢＢ′およびＣＣ′に沿った断面を示す拡
大断面図である。

【００２６】ここで、１はシリコン基板、１ａ，１ｂは
シリコン基板１上に石英系ガラス材料により形成された
石英系光導波路である。光導波路１ａ，１ｂは、２箇所
で互いに近接して方向性結合器２ａ，２ｂを構成してい
る。光導波路１ａは方向性結合器２ａ，２ｂの間で幅広
のテーパ状光導波路１ｃを形成している。光導波路１
ａ，１ｂは、膜厚５０μｍ程度のＳｉＯ₂ 系ガラスクラ
ッド層５に埋設された断面寸法８μｍ×８μｍ程度のＳ
ｉＯ₂ −ＧｅＯ₂ 系ガラスコア部からなり、直線パター
ンと曲率半径５０ｍｍの円弧パターンとの組合せにより
マッハ・ツェンダ光干渉計回路が構成されている。

【００２７】このような石英系光導波路は四塩化シリコ
ンや四塩化チタンの火炎加水分解反応を利用したガラス
膜堆積技術と反応性イオンエッチングによる微細加工技
術との公知の組合せで形成できる。

【００２８】方向性結合器２ａ，２ｂの結合部は、２本
の光導波路１ａ，１ｂを間隔５μｍに保ち、その一方
は、０．１３ｍｍ、もう一方は０．５２ｍｍの距離にわ
たって平行に配置することにより構成した。テーパ状光
導波路１ｃは、全長が４ｍｍであり、両端に長さ０．７
５ｍｍで、幅が８μｍから９．５μｍに直線状に変化す
るテーパ部を設け、かつこれら両端のテーパ部の間の中
央部を幅９．５μｍ、長さ２．５ｍｍの長方形の形状と
した。また、入力ポート３ａ，４ａの間隔、出力ポート
３ｂ，４ｂの間隔は、いずれも０．２５０ｍｍに設計し
た。２個の方向性結合器２ａ，２ｂを連結する部分の導
波路長は、ＬおよびＬ＋ΔＬであり、（ｎ・ΔＬ）値
は、１．５９５μｍに設定した。石英系光導波路の屈折
率ｎは約１．４５であるから、ΔＬは１．１μｍに設定
されていることになる。ΔＬは、図２における２個の方
向性結合器２ａ，２ｂ間の曲線導波路と直線導波路との
長さのわずかな差を利用してフォトマスクパターン段階
で正確に設定した。

【００２９】図６は、本実施例の光分岐素子の結合率の
波長および偏波依存性を示す図である。波長１．２５〜
１．６５μｍの範囲で波長依存性は極めて小さく、かつ
ＴＭおよびＴＥモードによる結合率の差は上記の波長範
囲で１％以下である。

【００３０】図７は、さらにこの素子の波長１．３１μ
ｍにおける主出力ポート，副出力ポートの損失の偏波依
存性を示したものであるが、副出力ポートの偏波状態に
よる損失変動も±０．０８ｄＢと小さくなっていること
がわかる。

【００３１】図８は本実施例の光分岐素子の結合率の偏
波特性を説明する図である。曲線（ａ），（ａ′），
（ｂ），（ｂ′）は、構成要素である方向性結合器２
ａ，２ｂ自身のＴＭ，ＴＥモードに対する結合率特性を
示す。曲線（ｃ），（ｃ′）は、各々ＴＭ，ＴＥモード
に対する２つの方向性結合器２ａ，２ｂを連結する２本
の光導波路１ａ，１ｂ間のテーパ状光導波路１ｃに生じ
る位相差の波長依存性を示し、曲線（ｄ）には、参考と
してのテーパ状光導波路のない従来例の場合の位相差の
波長依存性を示した。方向性結合器２ａ，２ｂの結合率
はいずれもＴＭモードに対しての方が大きく、従来例の
ように曲線（ｄ）に示す偏波依存性のない位相差を与え
た場合には、必然的に光分岐素子全体として結合率の偏
波依存性が生じてしまう。本実施例の場合には、曲線
（ｃ），（ｃ′）に示すように、テーパ状導波路１ｃの
部分において位相差の偏波依存性が生じるので、それに
より方向性結合器２ａ，２ｂでの偏波依存性を相殺する
ことができ、その結果として方向性結合器２ａ，２ｂの
偏波依存性を緩和することができる。

【００３２】ここで、本実施例の光分岐素子の寸法につ
いて述べておくと、長さ２０ｍｍ、幅２．５ｍｍであ
り、従来の光分岐素子と同程度の大きさであった。これ
は、従来の光分岐素子の中の２つの方向性結合器を直線
で連結する方の導波路の一部をテーパ状に置き換えただ
けだからである。また、本実施例の光分岐素子の損失値
も０．２ｄＢ程度と従来の光分岐素子と同程度である
が、これはテーパ状導波路部のテーパ角度を小さく設計
してあるので、過剰な放射損失が生じないためである。

【００３３】実施例２図９は本発明の第２実施例として構成した、波長域１．
２５μｍ〜１．６μｍにおいて５０％±５％の結合率を
有する光分岐素子の平面図である。大略は、実施例１と
同様であるが、この実施例では、テーパ状光導波路１ｃ
を２つの方向性結合器を遠回りして連結する光導波路１
ｂの途中に設けた点が異なる。もちろん、この場合にも
第１実施例と同様に配置することもできる。

【００３４】方向性結合器２ａ，２ｂの結合部の導波路
間隔は５μｍ、結合部長さは、実施例１に比べて強結合
よりに、各々０．７２ｍｍ，１．２８ｍｍに設定した。
テーパ状光導波路１ｃの構造も実施例１とは異なり、全
長が４ｍｍであり、両端に長さ０．７５ｍｍで８μｍか
ら７．５μｍに幅が直線状に減少するテーパ部を設け、
かつこれら両端のテーパ部の間の中央部を幅７．５μ
ｍ、長さ２．５ｍｍの細長い直方形の形状とした。ま
た、ΔＬは１．２２５μｍに設定した。本実施例の素子
長は、２５ｍｍであった。本実施例では、直線状のテー
パ導波路により構成したが、実効的に生じる位相差が同
じであれば、テーパ部を曲り部に設けても差し支えな
い。

【００３５】図１０は本実施例の光分岐素子の結合率の
波長および偏波依存性を示す図である。波長１．２５〜
１．６０μｍの範囲で５０±５％とほぼ一定の結合率を
有し、かつＴＭ，ＴＥモードによる結合率の差は上記の
波長範囲で１．５％以下であり、従来の広波長域動作導
波型光分岐素子の偏波依存性が最大±３．５％あったの
に比較し、大幅に緩和されている。

【００３６】以上の実施例において、方向性結合器の結
合部の構造パラメータについて記述したが、方向性結合
器は極めて構造敏感な光回路素子であるので、製造者は
それぞれの製造工程の癖等を考慮して、パラメータを変
更することができる。要は、例えば実施例１において、
マッハ・ツェンダ光干渉計回路の構成要素である方向性
結合器を、それぞれ図８の曲線（ａ），（ａ′），
（ｂ），（ｂ′）に近い波長および偏波特性を示すよう
に設計・製作すればよいのである。

【００３７】さらに、上記の実施例では、テーパ状導波
路１ｃを、２個の方向性結合器を連結する２本の光導波
路の一方に設けたが、両方にテーパ部を形成しても構わ
ない。要は、２本の導波路間に生じる位相差の偏波依存
性が方向性結合器の偏波依存性を緩和するようにテーパ
状光導波路を配設すればよいのである。

【００３８】上記実施例では、いずれも光ファイバ通信
応用分野において、最重要な領域である１．３μｍ〜
１．５５μｍを含む波長域において平坦な結合率および
波長特性を示す例を示したが、本発明は必ずしもこのよ
うな広波長域動作型光分岐素子に限られるものではな
く、波長依存性は従来の方向性結合器と同様にあるもの
の、偏波依存性がほとんどない光分岐素子を設計・製作
することができることを指摘しておく。

【００３９】また、以上の実施例においては、シリコン
基板上の石英系光導波路により、光分岐素子を構成した
が、本発明において、基板は、シリコンに限定されず、
石英ガラス基板に変更することも可能である。あるいは
また、前述したように、本発明はこれらの石英系光導波
路に限定されるものではなく、他の導波路材料系、例え
ば、多成分ガラス導波路系やニオブ酸リチウム導波路系
に適用できることを付記する。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、２個
の方向性結合器を連結してマッハ・ツェンダ光干渉計回
路を構成し、それら２個の方向性結合器を連結する光導
波路の長さの差に制御された僅かな差ΔＬを与えるとと
もに、その光導波路の途中にテーパ導波路を設けて、マ
ッハ・ツェンダ光干渉計回路全体を光分岐素子として動
作させることにより、方向性結合器自体の結合率の波長
依存性のみならず偏波依存性をも緩和して、素子全体と
して所望波長域で、波長依存性の少ない、低損失な光分
岐素子を提供することができる。

【００４１】このような導波型光分岐素子は、広い波長
域に広がる光信号の分配用やモニタ用，タップ用として
の幅広い用途が期待される。また逆に、２つの信号光を
合流させる光合流素子としての用途も期待される。

【００４２】さらにまた、平面基板上に本発明による分
岐素子を多段に連結して配置することにより、４分岐素
子や８分岐素子へ拡張することも容易である。あるいは
また、同一基板上に光分岐素子をアレイ状に形成し、例
えば２５０μｍピッチの光ファイバアレイと接続して使
用することも可能である。

【００４３】本発明素子は平面基板上に大量一括製作で
きることから、低価格化も期待でき、本発明の光分岐素
子およびその応用素子は、光通信システムの普及に大き
く貢献すると期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明導波型光分岐素子の一実施例の構成を示
す平面図である。

【図２】本発明導波型光分岐素子の第１実施例の構成を
示す平面図である。

【図３】図２のＡＡ′線断面図である。

【図４】図２のＢＢ′線断面図である。

【図５】図２のＣＣ′線断面図である。

【図６】第１実施例の光分岐素子の結合率の波長および
偏波依存性の特性図である。

【図７】第１実施例の光分岐素子のポート損失の偏光角
度依存性の特性図である。

【図８】第１実施例の光分岐素子の結合率の波長および
偏波依存性の特性図である。

【図９】本発明導波型光分岐素子の第２実施例の構成を
示す平面図である。

【図１０】第２実施例の光分岐素子の結合率の波長およ
び偏波依存性の特性図である。

【図１１】従来の導波型光分岐素子の構成例を示す平面
図である。

【図１２】従来の導波型光分岐素子の結合率の波長およ
び偏波依存性の特性図である。

【図１３】従来の導波型光分岐素子のポート損失の偏光
角度依存性の特性図である。

【符号の説明】

１基板１ａ，１ｂ光導波路１ｃテーパ光導波路２ａ，２ｂ方向性結合器３ａ，４ａ入力ポート３ｂ，４ｂ出力ポート５クラッド層

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、前記基板上に配置された第１お
よび第２の光導波路と、前記第１および第２の光導波路を２箇所で互いに近接さ
せて構成した第１および第２の方向性結合器とを具え、前記第１の光導波路の一方の端部を入力ポートとし、前
記第１および第２の光導波路の各他方の端部を、それぞ
れ、主出力とする導波型光分岐素子において、前記第１および第２の光導波路のうち前記第１および第
２の方向性結合器の間を連結する部分に光路長差を設け
るとともに、当該部分の少なくともいずれか一方の一部
分にテーパ状光導波路を設けて、前記第１および第２の
方向性結合器の波長および偏波依存性を当該テーパ状光
導波路の波長および偏波依存性で緩和するように構成し
たことを特徴とする導波型光分岐素子。
【請求項２】前記光導波路は、単一モード光ファイバ
のコア径にほぼ等しいコア部寸法を有する石英系光導波
路であることを特徴とする請求項１記載の導波型光分岐
素子。