JP2778236B2 - 導波路型光合分波器及びそれを用いた光伝送用モジュール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、小型で低損失な導波路型光合分波器及びそ
れを用いた光伝送用モジュールに関するものである。

［従来の技術］ 光ファイバ通信の発展に伴い、１本の光ファイバを用
い、双方向伝送，異種信号の同時伝送等、経済的で拡張
性に富んだシステムの構築が可能な波長分割多重伝送が
注目されるようになってきた。このシステムでは、波長
の異なる光信号を合波あるいは分波する役目を担う光合
分波器が不可欠である。

従来、光合分波器としては、（１）第５図の如くプリ
ズムａやレンズb,誘電体多層膜フィルタｃ等の個別部品
を組み合わせた個別部品組合せ型光合分波器ｄや、
（２）第６図の如く２本の光ファイバｅを所望の長さだ
け融着結合させて方向性結合器ｆを作り、この方向性結
合器の波長依存性を利用した光合分波器が用いられてい
た。

また最近になって本発明者は、第４図（ａ）及び
（ｂ）に示すようなガラス導波路構造で方向性結合器ｇ
を構成し、その方向性結合器ｇを３個用いることによ
り、波長間のアイソレーションを大きく取れる実用的な
導波路型光合分波器を提案している。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来の個別部品組合せ型光合分波器（第５
図）は、部品間の光軸ずれやフレネル反射による損失，
各部品の吸収及び散乱損失等による損失が大きいという
問題点と、組立及び加工費が高くつくといった問題点が
ある。

一方、光ファイバを用いた方向性結合器型光合分波器
（第６図）は、分波すべき中心波長を所望値に再現性良
く合わせて作成することが難しいことと、波長間のアイ
ソレーションを大きく取ろうとすると、方向性結合器を
縦続接続して用いる必要があり、サイズが大きくなると
いう問題点がある。

一方、第４図の導波路型光合分波器は、光ファイバを
用いた方向性結合器型光合分波器に比べ、小型でアイソ
レーションを大きく取れるという特長があるが、損失は
光ファイバ型に比べて大きいという問題点がある。ま
た、サイズもかなり小さくなっているが、個別部品組合
せ型光合分波器に比べ若干大きいという問題点があっ
た。

特に、第４図（ｂ）の導波路型光合分波器の２つの出
力導波路の一側に発光素子を、他側に受光素子を結合さ
せて光伝送用モジュールを構成する場合には、発光素子
（あるいは受光素子）のサイズを考慮して、２つの出力
導波路間隔Ｇを２〜5mmにしなければならない。このよ
うに出力導波路間隔Ｇを大きくした場合に、曲げ部によ
る損失（放射損失）をできる限り低く抑えるためには、
第５図に示すように、初段の第１の方向性結合器51と次
段の第2,第３の方向性結合器52,53の間を、大きな曲げ
半径Ｒ（40〜50mm）の曲線導波路54,55及び56,57でつな
ぎ、全体としてそれぞれＳ曲線の形（Ｓ曲線部60,61）
に構成する。

しかし、この曲線導波路54と55又は56と57を接続した
形態では、長いＳ曲線部60,61を光が伝搬するにつれて
光は次第に片方向のみに曲げられ、接続部58,59を過ぎ
ると今度は逆に反対方向に曲げられて伝搬しなければな
らず、この部分で伝搬モード分布のミスマッチによる放
射損失が発生し、結果的に光ファイバ型に比べ、損失が
大きくなるという問題点があった。

これを解決するためには、できる限り直線に近い導波
路、つまり大きな曲げ半径Ｒで構成すればよいが、逆に
光合分波器の寸法が大きくなり過ぎるという問題点と、
長さが増したことによる吸収損失による損失増加という
問題点がある。

尚、曲線の半径Ｒの値は、導波路のコアとクラッドと
の間の屈折率差Δの値によって決められる。即ち、Δが
大きい場合には導波路内へのと閉じ込めが良くなるため
にＲは小さくでき、逆にΔが小さい場合には導波路内へ
の光の閉じ込めが悪くなるので、Ｒを大きくして放射損
失をできる限り小さく抑えなければならない。例えばΔ
が0.25％の場合にはＲは50mm程度にしなければならず、
Δが0.75％程度でもＲは10mm程度が限界である。

このように、出力導波路間隔Ｇの値が大きくなると、
Ｓ曲線部での伝搬モード分布のミスマッチによる放射損
失の増大と、導波路長が長くなることによって吸収損失
による損失増加が問題になってくることが分った。

本発明の目的は、前記した従来の欠点を解消し、小型
で低損失な導波路型光合分波器と、それに発光素子，受
光素子などを実装した光伝送用モジュールを提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の導波路型光合分波器は、２つの略矩形状コア
導波路を接近させて第１の方向性結合器を構成し、その
２つの出力導波路を所望角度で折れ線状に外側方向に曲
げることにより出力導波路間隔を拡げた後、該曲り部か
らそれぞれ直線状に延在する直線状導波路部分にそれぞ
れ別のコア導波路を接近させて第2,第３の方向性結合器
を構成したものである。

上記第1,第２及び第３の方向性結合器の導波路は基板
上に形成された低屈折率層内に埋め込まれていること、
また、上記第1,第２及び第３の方向性結合器の構造パラ
メータは略等しいこと、更には上記第１の方向性結合器
の入力導波路と第2,第３の方向性結合器の出力導波路と
が略平行に配置されていることが好ましい。

また、本発明の光伝送用モジュールは、上記の導波路
型光合分波器における第2,第３の方向性結合器の出力導
波路の一方に発光素子を、他方に発光素子若しくは受光
素子を接続することで構成できる。

［作用］ 本発明の導波路型光合分波器は、初段の方向性結合器
の２つの出力導波路を所望角度で折れ線状に外側方向に
曲げた後に直線状に延ばし、これにより出力導波路間隔
を拡げ、その２つの直線状導波路部分にそれぞれ次段の
方向性結合器を設け、好ましくは更にこの次段の方向性
結合器の出力導波路を再び前記所望角度で曲げて、該初
段の方向性結合器の入力導波路と平行になるようにした
構成とすることにより、小型化を図ったものである。

そして小型化により、導波路伝搬損失の低減化が可能
となり、また初段と次段の方向性結合器との間に曲線部
あるいは複数箇所の不連続部がないので低損失化を期待
できるものである。

［実施例］ 第１図に本発明の導波路型光合分波器の実施例を示
す。

この導波路型光合分波器10は、略同一の構造の３つの
方向性結合器、即ち初段の第１の方向性結合器11と次段
の第2,第３の方向性結合器12,13とを有する。

第１の方向性結合器11は２つの略矩形状コア導波路1,
2を接近させて構成してあり、その２つの出力コア導波
路は、所望角度θ/2で折れ線状に外側方向に曲げた後、
該曲り部３から直線的に延在させて出力コア導波路間隔
Ｇを直線的に拡げている。第2,第３の方向性結合器12,1
3は、この２つの直線状導波路部分4,5にそれぞれ別の略
矩形状コア導波路６又は７を接近させて構成してあり、
それらの各２つの出力導波路のうちの一方（4,7）は、
再び上記所望角度θ/2で折れ線状に内側方向に曲げ、該
曲り部8,9から直線的に延ばし、これにより形成される
上記初段の方向性結合器11の入力導波路１と平行な直線
状導波路部分を光合分波器10の出力導波路14,15として
いる。

上記３つの方向性結合器11,12及び13は略同一構造で
あり、これらの方向性結合器は、波長λ１の光信号はそ
のまま通し、波長λ２の光信号を選択的に分波するよう
に、結合長L,導波路幅W,導波路と導波路の間隔S,クラッ
ドに対するコアの比屈折率差Δの値が最適化されてい
る。

入力導波路１へ矢印16の如く入射した波長λ1,λ２の
光信号は、初段の方向性結合器11において波長λ１の光
信号は矢印17方向へ、波長λ２の光信号は矢印18方向へ
それぞれ分けられる。矢印17の如く伝搬した波長λ１の
光信号は、方向性結合器12で更に純度よく濾過（フィル
タリング）され、出力導波路14より矢印19の如く取り出
される。他方、矢印18の如く伝搬した波長λ２の光信号
は、方向性結合器13で更に分波されて出力導波路15より
矢印20の如く取り出される。

この構成の特徴は、方向性結合器11の２つの出力導波
路を、それぞれθ/2の角度で傾斜させた直線導波路部4,
5とし、大きな曲げ半径Ｒによる長いＳ曲線部60,61（第
３図）より短くしたことである。従って、これら直線導
波路部４及び５に対して、方向性結合器12及び13を設け
ることにより、光合分波器10の全長も短くなり、小型化
を図ることができる。そして、この小型化により、導波
路伝搬損失の低減化が可能となり、また初段の方向性結
合器11と次段の方向性結合器12,13との間に、第４図
（ｂ）に示したようなＳ曲線部や、第４図（ａ）に示し
たような複数箇所の不連続部がないので低損失化を期待
できるものとなる。

ここで、本発明の場合と先に本発明者が提案した第４
図の場合とで、光合分波器の有効長を比較してみると、
次のようによる。

本発明の光合分波器10の有効長P1は、第１図に示すよ
うに、初段の方向性結合器11の入力部の長さＣ、結合部
の長さＬ、直線状導波路部分4,5の長さの和である。但
し、長さは基板入出力方向の長さを意味する。

即ち、第１図から有効長P1は、 で表される。

第４図の場合の有効長P2は、Ｓ曲線部の基板方向長さ
を2T、次段の方向性結合器12,13の出力部の長さをＣと
すると、第４図から、 で表される。

ここで、例えばＧ＝2.5mm,R＝50mm,W＝11.4μm,S＝2.
0μm,L＝6.7mm,θ＝８゜,C＝1mmとすると、本発明者が
先に提案した第４図の構成では有効長がP2＝31.08mmと
なるのに対し、本発明による第１図の構成ではP1＝25,4
8mmとなり、本発明の構成にすると20％近く長さを短く
することができる。即ち、小型化することができる。ま
た導波路長が短くなった結果として、導波路伝搬損失が
小さくなる。

更に、従来の場合には、曲線部54,56と55,57との接続
部58,59の僅かなずれによる損失増加という問題がある
が、本発明の場合には、直線部で構成されているので、
このような問題点はない。

上記第１図の実施例において、直線状導波路部分４及
び５には方向性結合器をそれぞれ２つ以上設けて、波長
分離度を更に良くしても良い。また方向性結合器の構造
パラメータは、少しずつ異なっていても良い。

また、第１図において導波路を折れ線状に１つの曲線
で曲げる角度θ/2は、0.5゜〜４゜の範囲から選ぶこと
ができる。更に、それら曲り部3,8,9の曲げは、連続的
な曲線で曲げるように構成することもでき、それにより
この曲げ部分での不要な散乱損失を低減することができ
る。

第２図に上記導波路型光合分波器10を用いた双方向性
伝送用光モジュールの実施例を示す。

これは、出力導波路14の端面に、レンズ（少なくとも
１個の球，あるいは集束性のロッドレンズ、例えば球レ
ンズと集束性ロッドレンズの組み合わせ）付きの発光素
子（半導体レーザ，発光ダイオード等）22を設け、矢印
24の如く波長λ１の光信号を送出させ、方向性結合器12
及び11を通って光ファイバ21内を矢印26の如く伝搬させ
る。他方、光ファイバ21内を矢印27の如く伝搬してきた
波長λ２の光信号は、方向性結合器11及び13でそれぞれ
分波されて、出力導波路15から矢印25の如くレンズ付き
受光素子23内へ入射する構成の光モジュールである。

尚、レンズ付き発光素子22の代わりにレンズ付き受光
素子を用い、光ファイバ21内を伝搬してきたλ１及びλ
２の信号を導波路型光合分波器10でそれぞれ分波させ、
それぞれの受光素子で受信させるいわゆる光受信モジュ
ールであっても良い。またレンズ付き受光素子23の代わ
りに、波長λ２の光信号を送出するレンズ付き半導体レ
ーザを用いた光送信モジュールであっても良い。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明の導波路型光合分波器は、
次のような効果がある。

（１）第１の方向性結合器の２つの出力導波路を所望角
度で曲げて間隔を拡げた本発明によれば、先に本発明者
が提案した導波路型光合分波器に比べ、その有効長を約
40％短くすることができ、小型になる。その結果とし
て、導波路伝搬損失による損失分を小さくすることがで
きる。また、曲線部を２つの組み合わせたＳ曲線を用い
ないで、直線部で構成しているので、光損失を小さくす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る導波路型光合分波器の構
成図、第２図はその導波路型光合分波器を用いて構成し
た双方向伝送用光モジュールの概略図、第３図は本発明
者が先に提案した導波路型光合分波器の構成図、第４図
は本発明者が先に提案した導波路型光合分波器の概略
図、第５図及び第６図は従来の光合分波器の概略図であ
る。 図中、１は入力導波路、３は曲り部、4,5は直線状導波
路部分、8,9は曲り部、10は導波路型光合分波器、11は
第１の方向性結合器、12は第２の方向性結合器、13は第
３の方向性結合器、14,15は出力導波路、21は光ファイ
バ、22はレンズ付き発光素子、23はレンズ付き受光素子
を示す。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２つの略矩形状コア導波路を接近させて第
   １の方向性結合器を構成し、その２つの出力導波路を所
   望角度で折れ線状に外側方向に曲げることにより出力導
   波路間隔を拡げた後、該曲り部からそれぞれ直線状に延
   在する直線状導波路部分にそれぞれ別のコア導波路を接
   近させて第2,第３の方向性結合器を構成したことを特徴
   とする導波路型光合分波器。
2. 【請求項２】上記第1,第２及び第３の方向性結合器の導
   波路は基板上に形成された低屈折率層内に埋め込まれて
   いることを特徴する請求項１記載の導波路型光合分波
   器。
3. 【請求項３】上記第1,第２及び第３の方向性結合器の構
   造パラメータは略等しいことを特徴とする請求項１又は
   ２記載の導波路型光合分波器。
4. 【請求項４】上記第１の方向性結合器の入力導波路と第
   2,第３の方向性結合器の出力導波路とが略平行に配置さ
   れていることを特徴とする請求項1,2又は３記載の導波
   路型光合分波器。
5. 【請求項５】請求項1,2又は３記載の導波路型光合分波
   器における上記第2,第３の方向性結合器の出力導波路の
   一方に発光素子を、他方に発光素子若しくは受光素子を
   接続したことを特徴とする光伝送用モジュール。