JP3420501B2 - 光分岐結合器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、光分岐結合器に関
し、特に光通信、光信号処理、光計測等に用いられる光
導波路型部品に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】平面基板上に形成された光導波路回路
は、フォトリソグラフィー技術により製造されることに
より、様々な光導波路パターンに構成でき、導波路構造
を波長オーダーで加工制御できることから、波長合分波
器や光スイッチ等の光回路が実現され、かつ、これらの
光回路をコンパクトに集積することが可能であることか
ら、盛んに研究開発が行われている。平面型光導波回路
の機能の多くは光干渉により発現しているが、光干渉の
ためには、光の分岐と結合をする必要があり、そのため
の光分岐結合器は平面型光導波路において重要な回路要
素である。 【０００３】光分岐結合器を用いた光回路には、例えば
２光束干渉計の光スイッチや光波長フィルタがあるが、
それらの光回路の消光比や挿入損失、さらにはそれらの
偏波依存性は、光回路に使用する光分岐結合器の特性に
大きく左右される。光分岐結合器の特性が光回路全体に
影響を及ぼす例としては、光結合器を多段に縦列接続し
て作製されるラティスフィルタや、１個の光分岐結合器
の安定した作製が難しい積層導波路における層間光スイ
ッチがあげられるが、光結合器の歩留まりが悪いため、
これらの作製は難しいものであった。したがって、理想
的な特性を有する２光束干渉計を作製するには、光分岐
結合器は、作製条件や信号光の偏波などの状態に左右さ
れずに、過剰損が小さく、かつ分岐率が５０％である事
が望まれる。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】従来から用いられてい
る光分岐結合器には、方向性結合器、Ｙ分岐回路、ＭＭ
Ｉ(Multi Mode Interferometer) などがある。このう
ち、方向性結合器は、過剰損失が極めて小さく、２光束
干渉計によく用いられる。しかし、方向性結合器は、微
小な導波路ギャップを持つことから、製造誤差の影響を
大きく受け易く、分岐率が変動し易い。また、伝搬光の
横モードの裾野の重なり合いを利用することから、導波
路の屈折率差の影響も受けやすい。そのため、基板等か
らの応力による導波路の複屈折が直接分岐率に影響し、
分岐率の偏波依存性が大きく出るという問題があった。 【０００５】一方、Ｙ分岐回路やＭＭＩを用いた光分岐
結合器はスラブ導波路構造をもつが、スラブ導波路の入
射時と出射時に大きなモード変換が行われ、そのため一
部が放射モードに結合してしまい、回路挿入損失が大き
くなってしまうという問題がある。また、Ｙ分岐回路や
ＭＭＩを用いた光分岐結合器は、入射する光の僅かな蛇
行によりスラブ導波路部分で不必要な横モードが励振さ
れ易いため、蛇行を規定する前段の光回路等に特性が依
存し、分岐率が安定しないという問題もあった。 【０００６】本発明は、Ｙ分岐回路やＭＭＩを用いるこ
となく、過剰損失の極めて小さな方向性結合器を用いる
こととし、製造誤差による分岐率の変動や分岐率の偏波
依存性を小さくした光分岐結合器の提供を目的とする。
つまり、本発明の目的は、作製誤差や偏波等に対する分
岐率の変動を小さくし、使用する信号光波長において、
分岐率が５０％に極めて近い光分岐結合器を歩留まり良
く提供することにある。 【０００７】上述の目的を達成する本発明は、次の発明
特定事項を有する。基板と、その基板上に形成された第
一の光導波路および第二の光導波路とを有し、この第一
および第二の光導波路の中間部が４ヶ所互いに近接され
て形成された第一、第二、第三、第四の結合率が０．５
に設計された方向性結合器を有し、上記第一と第二の光
導波路の両方に、またはどちらか一方の光導波路に入射
される波長λの信号光を、上記第一と第二の光導波路と
に分配し出射する光分岐結合器において、上記第一と第
二の方向性結合器の間の上記第一と第二の光導波路の光
路長差ΔＬ１と、上記第二と第三の方向性結合器との間
の上記第一と第二の光導波路の光路長差ΔＬ２と、上記
第三と第四の方向性結合器との間の上記第一と第二の光
導波路の光路長差ΔＬ３とがΔＬ１＝ΔＬ２＝−ΔＬ３
＝λ／４を満たすことを特徴とする。 【０００８】本発明では、方向性結合器を４ヶ所使用す
るが、方向性結合器の損失は、作製誤差や偏波によらず
極めて小さいため、全体の過剰損失も十分小さくするこ
とが出来る。また、４ケ所の方向性結合器に挟まれる３
ヶ所の光路長差も光の波長オーダーと極めて小さいた
め、光路長差を与える為に光導波路を展開しても光導波
路の間隔は小さくてすみ、導波膜揺らぎなどの作製誤差
が光路長差に与える影響を十分小さくすることが出来
る。 【０００９】一般に方向性結合器を使用した光回路の特
性は、方向性結合器の結合率が作製誤差や偏波に対し変
動しやすいが、本発明による前記の構成では、以下の理
由により、方向性結合器の変動によらず、光回路全体の
分岐率を５０％に近づける事が可能である。第一および
第二の光導波路とからなり、中間部に４ヶ所、方向性結
合部を有する光回路において、第一と第二の方向性結合
器の間の光路長差をΔＬ１、第二と第三の方向性結合器
との間の光路長差をΔＬ２、第三と第四の方向性結合器
との間の光路長差をΔＬ３とする。この場合、光路長差
ΔＬ１〜ΔＬ３は、各々光導波路相互間の物理的導波路
長差に導波路の有効屈折率を乗じたものである。物理的
導波路長差は、方向性結合器に挟まれた二つの導波路の
一方から他方の長さを減じたものであるから、二つの導
波路長の大小によって正負の値を取りうる。例えば、Δ
Ｌ１、ΔＬ２が正号の場合は第一の導波路側が長く、Δ
Ｌ３が負号の場合は第二の導波路側が長い。 【００１０】ここにおいて、ΔＬ１＝−ΔＬ３＝ΔＬｃ
としたとき、光回路の結合率ηは波長λにおいて、次式
（１）［数１］の如く示される。この場合、ΔＬｃはΔ
Ｌ１と−ΔＬ３の絶対値とが一定のある値を示してお
り、ηは一方の光導波路に入射される光のうち、いわゆ
るCross して他方の光導波路より出射される光のパワー
の割合である。 【数１】【００１１】ここでｃは、方向性結合器一つの結合率を
ｋとした場合、次式（２）［数２］の如く示される。 【数２】 【００１２】そして、本発明ではΔＬｃ＝ΔＬ２＝λ／
４であるので上式（１）（２）及びΔＬｃ＝ΔＬ２＝λ
／４にて式を整理すると次式（３）となる。 η＝−８（ｋ−0.５）⁴ ＋0.５ … （３） 【００１３】即ち、方向性結合器の結合率ｋが、設計ど
おり0.５であればηは0.5 となる。ここで、前述の製造
誤差によってｋが0.5 を中心に変化する場合のηを調べ
てみる。結合率ｋ＝0.５における光回路の結合率ηの１
次、２次、３次の微係数は、次式（４）（５）（６）
［数３］のようになる。 【数３】 【００１４】この式（４）（５）（６）から明らかなよ
うにｋ＝0.5 においてはηの３次の微係数まで０である
ので、ｋが変動したとしてもηは非常に安定した値をと
るのである。そして、例えばｋ＝0.３０のときはη＝0.
４８７である。すなわち、本発明の光結合器に含まれる
個々の方向性結合器の結合率が揺らいでも、本発明の構
成によれば、光結合器全体としては極めて安定して分岐
率５０％を実現することが可能になる。つまり、本発明
の光分岐結合器は、過剰損失が小さく、作製誤差や偏波
状態に対して極めて安定して分岐率５０％を実現する事
が可能である。 【００１５】 【発明の実施の形態】ここで、図１〜図９を参照しつつ
本発明の実施の形態の一例を示す。図１は光分岐結合器
の一例を示すものである。図１の光導波路１と光導波路
２は合計４ヶ所近接し方向性結合器を形成し、４ヶ所の
方向性結合器３，４，５，６の間で、後述のような光路
長差を与えた構成になっている。 【００１６】光導波路１と光導波路２の幅と高さとは一
定であり、８×８μｍとした。作製した光導波路の有効
屈折率は、使用する信号光波長1.５５μｍにおいて1.４
５１６であった。また導波路曲線部の曲げ半径は１０ｍ
ｍで一定とした。方向性結合器の作製ばらつきを故意に
与えるため、方向性結合器３，４，５，６の結合長を０
μｍから１０００μｍまで５０μｍピッチで作製した。
方向性結合器のギャップは２μｍで一定とした。方向性
結合器３と方向性結合器４の間では光導波路１が光導波
路２に比べ0.２６６３μｍ長くなるように導波路長差を
与えた。また、方向性結合器４と方向性結合器５の間も
同様に光導波路１が0.２６６３μｍ長くなるように、さ
らには、方向性結合器５と方向性結合器６との間は光導
波路２が０．２６６３μｍ長くなるように設計した。導
波路長差０．２６６μｍは信号光波長1.５５μｍにとっ
てλ／４に相当する。 【００１７】比較例として、図２に示す光導波路７，８
にて方向性結合器９のみを形成し、また、図３に示す光
導波路１０，１１に対して方向性結合器１２，１３を二
段縦列につなぎ、マッハツェンダ干渉計を構成して導波
路長差を同じく0.２６６３μｍ与えた光結合器を形成
し、これらを同一基板に作製した。 【００１８】作成方法としては、次のようにした。ま
ず、シリコン基板上に火炎堆積法により、石英系下部ク
ラッド層と、二酸化ゲルマニウムを添加して屈折率を高
めた石英系コア層とを形成した。次に、コア層をフォト
リソグラフィ及び反応性イオンエッチングを用いて加工
し、前記導波路構造のコアパターンを形成した。その
後、火炎堆積法により上部クラッド層を形成して埋め込
み導波路を作製した。クラッド層とコア層との比屈折率
差は0.７５％とした。 【００１９】作製した光結合器の分岐率は、外部共振器
型波長可変光源からの波長1.５５μｍに調整したレーザ
光を用いて評価した。入力側は1.５５μｍ用偏波保持フ
ァイバを用い、出力側は1.５５μｍ用ＤＳＦファイバを
用いて評価した。光結合回路の透過光量は光回路にマッ
チングオイルを介して直接ファイバを突き合わせて評価
した。光結合器の分岐率の評価は、光導波路１にレーザ
光を入射した時の光導波路１と光導波路２とから出射し
た光量の比と、光導波路２にレーザ光を入射した時の光
導波路２と光導波路１とから出射した光量の比の平均と
した。光結合回路の過剰損失は、光導波路１と光導波路
２とから出射した光量の和と、入力側と出力側とのファ
イバを直接突き合わせた時の受光レベルとの差より光結
合回路の過剰損失を評価した。 【００２０】図４は、図１の構成(Proposed)、図２によ
る方向性結合器１段（ＤＣ）の構成、図３のマッハツェ
ンダ型光結合器（ＭＺＩ）の構成につき、分岐率を示
し、図５ではＴＥ偏光とＴＭ偏光との分岐率差を示して
おり、図４，５共に横軸は方向性結合器の結合長であ
る。図４から、図２の方向性結合器単体（ＤＣ）では５
０％結合は結合長が約５００μｍの場合にしか得られ
ず、この前後の結合長では結合長に比例して結合率が変
化している。なお、この結合率の変化が上記の（１），
（２）式のｋの変化に相当するものである。一方、図１
の本願発明の光分岐結合器においては、結合長３５０〜
７００μｍに対して結合率５０％の平坦な特性が得られ
ている。このことは、本発明の分岐結合器においては、
構成単位である方向性結合器単体の結合率が５０％を中
心にばらついたとしても光分岐結合器全体としての結合
率は５０％が維持されることを意味している。さらに、
図５からは、従来の光分岐器すなわち方向性結合器単体
（ＤＣ）やマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）において
は、方向性結合器の結合長が変わると偏波間の分岐率差
が生じるのに対し、本発明による光分岐器では結合長約
５００μｍの前後±１００μｍの範囲では偏波間の分岐
率差は殆ど無い（偏波依存性がない）ことが分かる。２
１個の光回路を作成してＴＥ偏波ＴＭ偏波共分岐率が４
５％〜５５％であった光回路は、図２の方向性結合器で
は２個、図３のマッハツェンダ型光結合器では６個、図
１の本発明では１２個であった。また、上記のＴＥ偏波
とＴＭ偏波両方とも分岐率が４５％から５５％であった
光回路のうち、分岐率差が0.５％以下のものは、図２の
方向性結合器では０個、図３のマッハツェンダ型光結合
器では２個、図１の本実施の形態の光結合器は８個であ
った。上記各回路、それぞれ２１個の過剰損失の平均値
は、図２の方向性結合器では0.１５１ｄＢ、図３のマッ
ハツェンダ型光結合器では0.２１３ｄＢ、図１の本実施
の形態の光結合器は0.２７７ｄＢであった。 【００２１】図６に、本発明による光分岐結合器による
２光束干渉計型光スイッチの実施例を示す。本発明によ
る光分岐結合器２台の間に熱光学効果を利用した位相器
１４をつけた構成をしている。光導波路の各設計パラメ
ータは実施例１と同じにした。すなわち光導波路１５，
１６の幅と高さと曲げ半径は、それぞれ８μｍ、８μ
ｍ、１０ｍｍとし、方向性結合器のギャップを２μｍ、
結合長を５５０μｍとした、８つの方向性結合器１７〜
２４の間で光導波路１の長さを、それぞれ0.２６６３μ
ｍ、0.２６６３μｍ、−0.２６６３μｍ、0.２６６３μ
ｍ、−0.２６６３μｍ、−0.２６６３μｍだけ長く設計
した。 【００２２】また、比較例として、図７に示すように光
導波路２５，２６に備えた方向性結合器２７，２８の間
に位相器２９をつけた光スイッチを作製した。光導波路
２５，２６の幅と高さと曲げ半径は、それぞれ８μｍ、
８μｍ、１０ｍｍとし、方向性結合器のギャップを２μ
ｍ、結合長を５５０μｍとした。本実施の形態の図６の
光スイッチと図７の光スイッチは図１，２，３と同様
に、火炎堆積法と、フォトリソグラフィーと反応性イオ
ンエッチングを用いて作製した。作製歩留まりを見るた
め、本発明による図６の光分岐結合器を用いた光スイッ
チと図７の光スイッチを９台作製した。作製した光スイ
ッチの特性は、波長可変光源と1.５５μｍ用偏波保持フ
ァイバと1.５５μｍ用ＤＳＦファイバを用いて評価し
た。光スイッチの動作には位相器に数ボルトの直流電圧
を印加して評価した。 【００２３】位相器１４，２９に印加する電力を横軸に
取った時の、光スイッチのスルーポート(Through) への
挿入損失とクロスポート(Cross) への挿入損失の変化を
図８，図９に示す。図８は本発明による光分岐結合器を
用いた光スイッチ（図６）の特性であり、図９は比較例
の光スイッチ（図７）の特性である。本発明による光結
合器の分岐率が５０％に近いことから、従来型光スイッ
チでは消光しにくいスルーポートでも、クロスポートと
同様に消光している。 【００２４】ＴＥ偏波の消光比とＴＭ偏波の消光比のう
ち、絶対値の小さい方の値をスイッチの消光比とし、位
相器の電力を振った時の最大のスイッチの消光比と、方
向性結合器の結合長との関係を表１と表２に示す。 【表１】【表２】 表１は本発明による光分岐結合器を用いた光スイッチの
特性であり、表２は従来型の光スイッチの特性であり、
９個についてそれぞれスルーポートとクロスポートとに
ついて示した。従来型の光スイッチで、最大のスイッチ
の消光比がスルーポートで平均−１5.２ｄＢとクロスポ
ートで平均−２4.６ｄＢであり、本発明による光分岐結
合器を用いた光スイッチでは、各々−３2.４ｄＢ、−３
0.１ｄＢであった。 【００２５】 【発明の効果】以上説明したように、本発明の光分岐結
合器の構成を用いることにより、方向性結合器の５０％
からのばらつきに対し、光分岐結合回路全体の分岐比を
安定に５０％に保つことが出来る。そのため、５０％分
岐の光分岐結合器の作製歩留まりを向上することがで
き、また分岐率の偏波依存性を小さくすることが可能に
なる。この光分岐結合器は、２光束干渉を用いる光回路
の歩留まり向上と特性向上に寄与し、光スイッチの特性
向上に効果的である。

【図面の簡単な説明】 【図１】第一の実施の形態の光分岐結合器の導波路構造
図である。 【図２】比較例である従来の光分岐結合器である方向性
結合器の導波路構造図である。 【図３】比較例である他の従来の光分岐結合器であるマ
ッハツェンダ干渉計の導波路構造図である。 【図４】第一の実施形態の光分岐結合器と従来の光分岐
結合器の分岐率の測定結果を示すグラフである。 【図５】第一の実施形態の光分岐結合器と従来の光分岐
結合器の偏波による分岐率差を示すグラフである。 【図６】第二の実施の形態の光スイッチの導波路構造図
である。 【図７】比較例である従来型の光スイッチの導波路構造
図である。 【図８】第二の実施の形態の光スイッチの動作特性の測
定結果を示すグラフである。 【図９】従来の光スイッチの動作特性の測定結果を示す
グラフである。 【符号の説明】 １，２，７，８，１０，１１，１５，１６，２５，２６
光導波路 ３，４，５，６，９，１２，１３，１７，１８，１９，
２０，２１，２２，２３，２４，２７，２８ 方向性結
合器 １４，２９ 位相器

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−122545（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−234050（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−243839（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−281215（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/10 - 6/14

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 基板と、その基板上に形成された第一の
   光導波路および第二の光導波路とを有し、この第一およ
   び第二の光導波路の中間部が４ヶ所互いに近接されて形
   成された第一、第二、第三、第四の結合率が０．５に設
   計された方向性結合器を有し、上記第一と第二の光導波
   路の両方に、またはどちらか一方の光導波路に入射され
   る波長λの信号光を、上記第一と第二の光導波路とに分
   配し出射する光分岐結合器において、 上記第一と第二の方向性結合器の間の上記第一と第二の
   光導波路の光路長差ΔＬ１と、上記第二と第三の方向性
   結合器との間の上記第一と第二の光導波路の光路長差Δ
   Ｌ２と、上記第三と第四の方向性結合器との間の上記第
   一と第二の光導波路の光路長差ΔＬ３とがΔＬ１＝ΔＬ
   ２＝−ΔＬ３＝λ／４を満たすことを特徴とする光分岐
   結合器。