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JP3053294B2 - 光合分波器 - Google Patents

光合分波器

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JP3053294B2
JP3053294B2 JP12477292A JP12477292A JP3053294B2 JP 3053294 B2 JP3053294 B2 JP 3053294B2 JP 12477292 A JP12477292 A JP 12477292A JP 12477292 A JP12477292 A JP 12477292A JP 3053294 B2 JP3053294 B2 JP 3053294B2
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optical
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要 神宮寺
善典 日比野
扇太 鈴木
俊海 小湊
浩 高橋
安弘 肥田
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、波長多重通信に用いら
れるアレー導波路回折格子型光合分波器に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術とその課題】近年、光通信においては、そ
の伝送容量を飛躍的に増加させる方法として光周波数多
重通信の研究開発が盛んに行われている。この伝送容量
の増加のためには、波長間隔の小さな光を合分波できる
装置が必要であり、波長間隔の小さな光の合分波が可能
で（分解能が良く）しかも回折効率も高いものの一例と
して、アレー導波路回折格子を用いる方法が知られてい
る。
【０００３】“Arrayed-waveguide grating for wav
elength division multi/demultiplexer with nano
meter resolution ”；Electronics Letters, vol.2
6,pp.87-88, 1990 および特開平2-244105号公報に従来
技術の開示がある。
【０００４】ここで、従来のアレー導波路回折格子型光
合分波器を光周波数合分波器として用いた一例を説明す
る。図９はアレー導波路回折格子型光合分波器の構成を
示す図である。図１０は図９におけるＤＤ′線の拡大断
面図である。シリコン基板１上にあって、入力導波路２
には、送信側の光ファイバが接続され周波数多重光が入
射される。入力側スラブ導波路３において回折効果によ
り広がった光は、アレー導波路回折格子４を構成する複
数のチャンネル導波路に入り伝搬し、出力側スラブ導波
路５に達し、さらに出力導波路６に集光される。この場
合、アレー導波路回折格子４を構成する個々のチャンネ
ル導波路の長さが異なるため、チャンネル導波路伝搬後
の個々の光の位相にずれが生じこのずれ量に応じて集束
光の波面が傾く。この傾き角度により集光する位置が決
まるが、光の位相ずれ量は光周波数に依存し光周波数が
異なることから、光周波数別に集光位置が決まることに
なり、その位置に出力導波路６をおけば光周波数別に信
号光を取り出すことができる。
【０００５】アレー導波路回折格子４の特徴は、その光
周波数分解能がアレー導波路回折格子を構成するチャン
ネル導波路の長さの差（ΔＬ）に比例することである。
即ち、ΔＬを大きく設計することにより前述の位相のず
れ量が大きくなって、従来の回折格子では実現できなか
った光周波数間隔の狭い多重光の合分波が可能となる。
図１１は光波長１．５５μｍを中心としてその付近にて
分波を行ない、出力導波路６での特性を測定した結果を
示しており、多重数１１本の光が光周波数多重間隔にて
１０ＧＨz ずつずれている。つまり、各出力導波路６の
通過波長が１０ＧＨz ずつ異なり、良好な分波特性が得
られている。アレー導波路回折格子型光合分波器では、
入出力系、集光系、回折格子など全ての機能が光導波路
を用いて一括して基板１上に作製できるので、レンズや
回折格子を組み立てるバルク型と比較して、量産性、特
性の安定性、低価格などの点において有利である。
【０００６】ところが、上述した従来のアレー導波路回
折格子型光合分波器は、回折格子により完全に受動的な
光波長合分波機能しか有していない。しかし、この合分
波機能に光周波数選択機能や透過波長幅可変機能を付加
できれば、更に適用範囲が広げられる。
【０００７】本発明は、上述の適用範囲を広げるべく光
周波数選択機能や透過波長幅可変機能を実現した光合分
波器の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成する本
発明の［請求項１］の発明は、入力導波路、第１のスラ
ブ導波路、長さの異なる複数のチャンネル導波路、第２
のスラブ導波路、及び出力導波路が基板上にて順に接続
されて作成されてなると共に、上記複数のチャンネル導
波路に光位相制御器を挿入してなる光合分波器におい
て、前記導波路はシリコン基板上に作られた石英系ガラ
ス導波路であり、光位相制御器は薄膜ヒータからなる熱
光学位相シフタでチャンネル導波路の長さに対応して長
さを異ならしめたことを特徴とする。 ［請求項２］の発
明は、入力導波路、第１のスラブ導波路、長さの異なる
複数のチャンネル導波路、第２のスラブ導波路、及び出
力導波路が基板上にて順に接続されて作成されてなると
共に、上記複数のチャンネル導波路に光位相制御器を挿
入してなる光合分波器において、前記入力導波路、第１
のスラブ導波路、長さの異なる複数のチャンネル導波
路、第２のスラブ導波路、及び出力導波路はシリコン基
板上に形成した石英系ガラス導波路であり、前記光位相
制御器はＬｉＮｂＯ 3 基板上に形成された導波路と電極
とからなりチャンネル導波路の長さに対応して電極の長
さを異ならしめたことを特徴とする。
【０００９】
【作用】複数のチャンネル導波路にその長さに対応して
光位相制御器を挿入することにより、等価的に導波路の
長さΔＬを長くしたり短くする機能を有することにな
り、透過光周波数を切替える光周波数選択スイッチとな
り、複数の光周波数に重量されてくる信号を時間的に選
択して取出すことができ、光周波数領域におけるチュー
ナとして動作する。また、複数のチャンネル導波路に光
位相制御器を挿入することにより、その透過波長の幅
（透過帯域幅）を制御することができ、幅の拡大により
フィルタとしての最適制御が可能となる。
【００１０】
【実施例】ここで、本発明の実施例について図１〜図８
を参照して説明する。 ［実施例１］図１は第１実施例である光周波数選択可能
なアレー導波路回折格子型光合分波器の平面図である。
基板１上に入力導波路２（例えば１１本）、第１のスラ
ブ導波路３、複数のチャンネル導波路４（例えば４１
本）、第２のスラブ導波路５、及び出力導波路６（例え
ば１１本）が順に接続されて備えられている。 ここ
で、チャンネル導波路４は、同一の曲率をもって長さの
異なる複数本が形成され、導波路の長さΔＬを大きくし
て狭い周波数間隔でも分解能を上げられるように形成さ
れている。更に、このチャンネル導波路４には、各導波
路につきその導波路の長さに対応して形成された位相制
御器である熱光学位相シフタ７が装荷されている。この
熱光学位相シフタ７は、薄膜ヒータであり、温度を変化
させて屈折率を変えることにより光周波数をシフトさせ
るものである。また、熱光学位相シフタ７をチャンネル
導波路４の長さに対応させるのは、各チャンネル導波路
での周波数シフトを全導波路にて同様に行なうためであ
る。
【００１１】本光合分波器の作製に当たっては、図２に
示すようにシリコン基板１上に火炎堆積法を用いて、ま
ず石英ガラスのアンダークラッド膜を３０μｍ堆積し、
次にＧｅを添加した石英ガラスをコア膜として７μｍ堆
積した。コア膜の屈折率はアンダークラッドおよびオー
バークラッドの石英ガラスより０．７５％だけ大きくし
た。次にフォトリソグラフィと反応性イオンエッチング
によってコア膜の不要部分を削り、図１および図２に示
す導波路形状を作製した。更に火炎堆積法によって石英
ガラスのオーバークラッド膜を堆積することによって埋
め込み型の３次元光導波路４を作製した。導波路コアサ
イズは７μｍ×７μｍとした。最後にフォトリソグラフ
ィと金属蒸着法によって熱光学位相シフタ７を製作し
た。
【００１２】光導波路回路の設計に当たっては、アレー
導波路回折格子のピッチ（アレー導波路を構成するチャ
ンネル導波路４のスラブ導波路３、５端における間隔）
ｄは２０μｍ、スラブ導波路の曲率半径ｆは５７６２μ
ｍ、アレー導波路を構成するチャンネル導波路のとなり
の導波路との光路長差ΔＬを１６５６μｍとした。この
とき、出力導波路６のスラブ導波路５端における線分散
は、光波長１．５５μｍ帯において１０ＧＨZ 当り２５
μｍ間隔となり、よって波長多重間隔１０ＧＨ Z が得ら
れるように出力導波路６の入力部の間隔は２５μｍ間隔
とした。熱光学位相シフタ７の各チャンネル導波路と重
なる長さは隣の導波路と重なる長さに比べてΔＬ＝２mm
だけ異なるようにした。本実施例の光周波数選択可能な
アレー導波路回折格子型光合分波器では、熱光学位相シ
フタ７を駆動することによってアレー導波路のチャンネ
ル導波路間の光路長差ΔＬを変化させることができ、あ
る周波数の光の集光位置が移動できて出力導波路６での
光周波数を切り替えることができた。このときの実際の
熱光学位相シフタ部の導波路温度と光周波数シフトとの
関係は、１．７ＧＨZ ／℃であった。またチャンネル切
り替えに要する時間は１００msecであった。この光周波
数選択可能な光合分波器は任意の光周波数の信号を任意
の出力ポートから取り出すことができる点で非常に有効
な部品として働く。
【００１３】［実施例２］図３に本発明の第２実施例と
しての通過帯域幅可変なアレー導波路回折格子型光合分
波器の平面図を、図４にＢＢ′線の拡大断面図を示す。
その構成はほとんど実施例１の光合分波器と同様である
が、熱光学位相シフタ８がアレー回折格子のチャンネル
導波路４の一本おきに装荷されている点が異なる。熱光
学位相シフタ８を駆動しないときの光合分波器のフィル
タ特性を図５に黒丸で示す。これに対して熱光学位相シ
フタ８を駆動して、熱光学位相シフタのある部分の導波
路温度を無い部分に対して３℃だけ高くしたときの光合
分波器のフィルタ特性を図５の白丸で示す。このよう
に、チャンネル導波路４の一本おきに熱光学位相シフタ
８を備え駆動することにより、実施例１では全部のチャ
ンネル導波路４に熱光学位相シフタを備えて周波数選択
を行なったのに対して、偶数本又は奇数本ごとに長さΔ
Ｌを等価的に変化させた結果、集光周波数帯を変化させ
ることができる。この結果、光周波数合分波器として用
いるときは、使用する信号光に乗せられている信号容量
によってその透過帯域幅を最適に与えることが好まし
い。本実施例の透過帯域幅可変なアレー導波路回折格子
型光合分波器は、使用する信号光によってその最適な透
過帯域幅を変化させることができるという点で非常に有
効である。
【００１４】第２実施例における位相制御器は、チャン
ネル導波路の一本おきに備えられた構造としたが、一定
本おきに長さΔＬを変化させて透過波長幅を変化させら
れることから２本おきとか３本おきという具合に位相制
御器を備えてもよい。また、複数のチャンネル導波路４
の全本数に位相制御器を備えた場合であっても、備える
位置を変えたり、チャンネル導波路の長さに比例させる
ことなく位相制御器を備えたり、また、各本について温
度を変えたりすることによっても、透過波長幅を変える
ことができフィルタとして機能できる。
【００１５】［実施例３］第１実施例、第２実施例は、
位相制御器として熱光学位相シフタ７，８を備えた例を
示したが、本実施例では電気光学位相シフタを備えてい
る。すなわち、電気光学効果により屈折率を変え長さΔ
Ｌを変える構成を示している。図６は、実施例３として
の光周波数選択可能なアレー導波路回折格子型光合分波
器の平面図である。図７は図６におけるＣＣ′線の拡大
断面図である。図８は図６における電気光学位相シフタ
用電極１１の配線を説明するための拡大平面図である。
この光合分波器の動作原理は実施例１の光合分波器と全
く同じであるが、本実施例の光合分波器ではアレー導波
路に挿入する光位相シフタとしてＬｉＮｂＯ3 結晶の電
気光学効果を利用した導波路型位相シフタ１１である点
が異なる。光位相シフタ以外の部分では曲がりによる光
損失の小さなガラス導波路を用いている。
【００１６】ＬｉＮｂＯ3 光導波路及び電気光学位相シ
フタ用電極１１の製作は、ＬｉＮｂＯ3 基板９の表面に
Ｔｉ薄膜をスパッタ法で付着させ、リソグラフィ及びド
ライエッチング法で導波路パターンを形成した。次に１
０５０度でＴｉを熱拡散することによりＴｉ拡散３次元
光導波路１０をＬｉＮｂＯ3 表面層に作製した。次にＳ
ｉＯ2 バッファ層１２をスパッタ法で作製し、更に蒸着
法によるＡｕで電極を作製した。この光合分波器の構成
は、入出力部、スラブ展開部などの導波路曲がり部を、
光損失の小さなガラス導波路を用いており、位相変調の
必要な部分にのみ直線のＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ3 導波路１
０を用いた。本実施例の光合分波器では電気光学効果を
用いた位相変調を利用しているため、熱光学効果を利用
した実施例１に比べて格段に速い１μsec 以下の時間で
透過光周波数の選択ができた。また電気光学効果による
位相制御であるため、本質的に熱の発生がないという点
で非常に有利な方法である。
【００１７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のアレー導
波路回折格子型光合分波器は、従来完全に受動的な機能
しか有しなかった光合分波器に、光周波数選択機能や透
過帯域幅可変機能を付与することができる。これにより
アレー導波路回折格子型光合分波器の適用できる範囲が
広まる点で有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第１実施例の光周波数選択可能なアレー
導波路回折格子型光合分波器の平面図。
【図２】図１におけるＡＡ′線の拡大断面図。
【図３】本発明第２実施例の透過帯域幅可変なアレー導
波路回折格子型光合分波器の平面図。
【図４】図３におけるＢＢ′線の拡大断面図。
【図５】本発明第２実施例の透過帯域幅可変なアレー導
波路回折格子型光合分波器の１つの出力ポートからの透
過特性図。
【図６】本発明第３実施例の光周波数選択可能なアレー
導波路回折格子型光合分波器の平面図。
【図７】図６におけるＣＣ′線の拡大断面図。
【図８】図６における電気光学位相シフタ用電極の配線
を説明するための拡大平面図。
【図９】従来技術によるアレー導波路回折格子型光合分
波器の平面図。
【図１０】図９におけるＤＤ′線の拡大断面図。
【図１１】従来技術のアレー導波路回折格子型光合分波
器の透過光周波特性図。
【符号の説明】
１ シリコン基板 ２ 入力導波路 ３ 入力側スラブ導波路 ４ アレー導波路回折格子 ５ 出力側スラブ導波路 ６ 出力導波路 ７，８ 熱光学位相シフタ ９ ＬｉＮｂＯ3 基板 １０ Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ3 光導波路 １１ 電気光学位相シフタ用電極 １２ ＳｉＯ2 バッファ層 １３ 電気光学位相シフタ用−電極 １４ 電気光学位相シフタ用＋電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 扇太 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 小湊 俊海 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 高橋 浩 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 肥田 安弘 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−326308（ＪＰ，Ａ) 米国特許5002350（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/29 - 1/313 G02F 1/00 - 1/035 G02B 6/12 G02B 6/28

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】入力導波路、第１のスラブ導波路、長さの
    異なる複数のチャンネル導波路、第２のスラブ導波路、
    及び出力導波路が基板上にて順に接続されて作成されて
    なると共に、上記複数のチャンネル導波路に光位相制御
    器を挿入してなる光合分波器において、 前記導波路はシリコン基板上に作られた石英系ガラス導
    波路であり、光位相制御器は薄膜ヒータからなる熱光学
    位相シフタでチャンネル導波路の長さに対応して長さを
    異ならしめたことを特徴とする光合分波器。
  2. 【請求項２】入力導波路、第１のスラブ導波路、長さの
    異なる複数のチャンネル導波路、第２のスラブ導波路、
    及び出力導波路が基板上にて順に接続されて作成されて
    なると共に、上記複数のチャンネル導波路に光位相制御
    器を挿入してなる光合分波器において、 前記入力導波路、第１のスラブ導波路、長さの異なる複
    数のチャンネル導波路、第２のスラブ導波路、及び出力
    導波路はシリコン基板上に形成した石英系ガラス導波路
    であり、前記光位相制御器はＬｉＮｂＯ 3 基板上に形成
    された導波路と電極とからなりチャンネル導波路の長さ
    に対応して電極の長さを異ならしめたことを特徴とする
    光合分波器。
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