JP3920900B2 - 波長合分波器 - Google Patents

Description

本発明は、光通信等に使用される波長合分波器に関し、特に、狭い波長間隔の波長帯同士を簡易な構成で分離することができる光波長合分波器に関するものである。

大容量伝送や双方向同時伝送を可能とするために、複数の波長の光を１つの伝送路で伝送する光波長多重方式が用いられている。波長多重方式において、多重光の合分波の機能を行う合分波器には各種あり、加入者系（アクセス系）の合分波器としては、低価格な部品構成が必要である。

図１４は、従来の合波長分波器５００を示す図である。

従来の波長合分波器５００は、低価格な合分波器であり、１．３μｍと１．５５μｍとの２波長を合分波するものである（たとえば、特許文献１参照）。なお、光通信に使用される「波長合分波器」は、異なる波長の信号を一緒にしたり分離したりする素子である。

従来の波長合分波器５００は、シングルモード光導波路２、３、２’と、光導波路２と３とが交差する位置に設けられている溝４と、誘電体多層膜５とを有し、誘電体多層膜５は、溝４内に挿入され、１．５５μｍ帯に反射域を有し、１．３１μｍ帯に透過域を有している。

誘電体多層膜５は、光導波路２と３とが成す交差角の２等分線に垂直で、しかもその反射面が、光導波路２と３との交差点に位置するように設定されている。

このように、光導波路２、３と誘電体多層膜５とによって、幾何学的反射構造を持たせ、しかも、光導波路２’を、誘電体多層膜５の透過光上に配置する。これによって、光ファイバ（図示せず）を介して光導波路２を伝播する１．３１μｍと１．５５μｍの波長多重光のうちで、１．５５μｍ光を、誘電体多層膜５で反射させ、光導波路３に出力する。また、１．３１μｍ光は、誘電体多層膜５を透過させ、光導波路２’に出力する。

この構造では、誘電体多層膜５で反射する１．５５μｍ光が結合する光導波路３が、単一モード光導波路であるので、その結合損失を如何に低損失に抑えるかが重要な課題である。これを実現する誘電体多層膜５の設定位置、光導波路２と３との交差角、高精度溝加工のためのマーカ位置等が、最適化され、所要の損失の合分波器が実現されている（たとえば、特許文献１参照）。

なお、従来の合波長分波器５００では、光導波路２’がＹ分岐し、分岐された光導波路のそれぞれに、レーザダイオードまたはフォトダイオードが搭載されている送受信モジュールが示されている。

なお、上記Ｙ分岐光導波路、レーザダイオード、フォトダイオードを、図１４では、省略している。

最近、アクセス系においてサービスの多様化が進み、分波すべき波長間隔も狭くなる傾向にある。たとえば、１芯双方向通信を行うＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）システムにおいては、下り信号として用いられる１４８０〜１５８０ｎｍ帯を、１４８０〜１５００ｎｍ帯と１５５０〜１５６０ｎｍ帯との２つに分割する。そして、後者を、映像配信等、将来的な別サービスに割り当てる方式が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。

この従来例によれば、１４８０〜１５００ｎｍ帯と１５５０〜１５６０ｎｍ帯とを分離するための分波器には、波長間隔がもっとも近接する１５００ｎｍと１５５０ｎｍとの２波長を分離する性能が必要である。

また、他の従来例として、通信波長とは別の波長を試験光に用い、各種光線路試験を行うシステムにおいて、通信波長帯域の上限波長である１６２５ｎｍに対して１６５０ｎｍを試験波長として使用するものがある（たとえば、特許文献２参照）。この場合には、２５ｎｍで近接した信号光と試験光とを分波する必要がある。

このような狭間隔で配置される２波長を、従来の交差光導波路を用いた部品構成で実現できれば、波長合分波器の低価格化に有利である。

上記交差光導波路によって波長合分波器を構成する場合、誘電体多層膜５への入射光が発散光であることに起因して、得られる合分波特性の透過域から遮断域に至るカットオフ領域の傾斜が劣化する。そのため、分波間隔が狭い場合には、上記カットオフ領域の傾斜の劣化を無視することができない。また、分波間隔を狭くするためには誘電体多層膜を厚くする必要があるが、これにより発散光によるスペクトル劣化への影響がより強く出ることになる。

図１５は、上記従来例における波長合分波器５００の特性を示す図である。

発明者らは、光導波路比屈折率差を、実用的な下限値０．３％程度に設定して試作検討を進めたところ、光導波路２から光導波路３に至る反射経路で、図１５に示すようなスペクトラムの劣化があり、波長合分波器を実現する上で障害となった。

このスペクトラムの劣化は、カットオフ波長付近で損失最小となるピークＰを有し、その長波側で損失が増加する形状であり、誘電体多層膜５の特性からは予想できないものである。

また、合分波スペクトラムにおいて、透過域から遮断域に至るカットオフ特性についても十分とは言えないという問題がある。

本発明は、波長間隔の狭い２波長に対しても、スペクトラム劣化がなく、しかも、カットオフ特性が良好な光導波路交差型の波長合分波器を提供することを目的とするものである。
日本国特開平８−１９００２６号公報 日本国特開２００２−３６８６９５号公報 ＮＴＴ技術ジャーナル、２００３年１月、Ｖｏｌ．１５、Ｎｏ１、ｐ．２４〜２７

本発明は、１つの波長帯域の端と別の波長帯域の端とが所定長以下の間隔で配置されている２つの波長帯域を分離するための波長合分波器である。互いに交差する２本の光導波路の交差部に、誘電体多層膜を設け、上記誘電体多層膜への入射光を透過光と反射光とに分離する。ここで、上記誘電体多層膜の光入射側の多層膜表面から上記交差する２本の光導波路の中心の交点までの距離Ｘが、０≦Ｘ≦ｄ／２（ｄは、上記誘電体多層膜の厚さ）であるように、設定される。

すなわち、本発明において、距離Ｘが０〜ｄ／２である範囲では、反射経路でのスペクトル特性がほぼ矩形であるので、カットオフ波長よりも長波長側において、反射損失が極端に増加することはない。つまり、図１５に示す従来例における顕著な損失最小ピークＰは存在しない。

また、本発明において、距離Ｘがｄ／１０≦Ｘ≦２／５ｄである範囲では、反射経路でのスペクトル特性がより矩形に近づくので、狭間隔で配置される波長に対しての分離度が向上する。さらに、カットオフ波長よりも長波長側における反射損失の増加が生じない。

本発明によれば、光導波路交差型の波長合分波器において、波長間隔の狭い２波長に対しても、スペクトラム劣化がなく、しかも、カットオフ特性も良好であるという効果を奏する。

［図１Ａ］図１Ａは、本発明の実施例１である波長合分波器１００を示す平面図である。
［図１Ｂ］図１Ｂは、本発明の実施例１である波長合分波器１００を示す正面図である。
［図１Ｃ］図１Ｃは、本発明の実施例１である波長合分波器１００を示す右側面図である。
［図２Ａ］図２Ａは、波長合分波器１００において、誘電体多層膜５の多層膜表面５ｓから光導波路２と３との交差点Ｃ１までの距離Ｘが０となる位置関係を示す図である。
［図２Ｂ］図２Ｂは、波長合分波器１００において、誘電体多層膜５の多層膜表面５ｓから光導波路２と３との交差点Ｃ１までの距離Ｘが０〜ｄとなる位置関係を示す図である。
［図２Ｃ］図２Ｃは、波長合分波器１００において、誘電体多層膜５の多層膜表面５ｓから光導波路２と３との交差点Ｃ１までの距離Ｘがｄとなる位置関係を示す図である。
［図３］図３は、波長合分波器１００において、誘電体多層膜５の近傍（光導波路交差部Ｃ１の近傍）を示す図である。
［図４］図４は、本発明の実施例１によって得られた分波特性を示す図である。
［図５］図５は、本発明の実施例１において、誘電体多層膜５の多層膜表面５ｓから交差点Ｃ１までの距離Ｘと、光導波路２から光導波路３に至る反射スペクトラムとの関係を示す図である。
［図６］図６は、本発明の実施例１において、光導波路２から光導波路３に至る反射スペクトラムが損失０．７ｄＢとなる波長と２０ｄＢとなる波長の間隔と、距離Ｘとの関係を示す図である。
［図７］図７は、本発明の実施例１において、カットオフ波長よりも長波長側における反射損失と距離Ｘとの関係を示す図である。
［図８］図８は、本発明の実施例１において、交差部における光導波路幅Ｗ_２を、８μｍ、２０μｍとし、交差角２θを、８、１０、１２度とした場合の設定距離Ｘの適正範囲をまとめた図である。
［図９］図９は、本発明の実施例１において、光導波路の比屈折率差が、０．４５％に設定され、誘電体多層膜５が、カットオフ波長１６２０ｎｍ近傍に設定されたＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５交互多層膜（厚さ約４０μｍ）に変えた場合を示す図である。
［図１０］図１０は、本発明の実施例１において、誘電体多層膜５の厚さを２５μｍと薄くした場合に、カットオフ波長よりも長波長側の反射損失と距離Ｘとの関係を示す図である。
［図１１］図１１は、本発明の実施例１において、光導波路交差角２θに対する反射減衰量を、拡幅された光導波路幅Ｗ_２をパラメータとして示す図である。
［図１２］図１２は、本発明の実施例１において、交差角をパラメータとし、光導波路拡幅構造がある場合（実線）と、無い場合（点線）の反射スペクトラムを、そのカットオフ領域で比較した図である。
［図１３］図１３は、本発明の実施例２である波長合分波器２００を示す図であり、誘電体多層膜５の近傍（光導波路交差部Ｃ１の近傍）を示す図である。
［図１４］図１４は、従来の波長合分波器５００を示す図である。
［図１５］図１５は、従来の合波長分波器５００の特性を示す図である。

発明を実施するための最良の形態は、以下の実施例である。

図１Ａは、本発明の実施例１である波長合分波器１００を示す平面図であり、図１Ｂは、その正面図、図１Ｃは、その右側面図である。

図２Ａは、波長合分波器１００において、誘電体多層膜５の多層膜表面５ｓから光導波路２と３との交差点Ｃ１までの距離Ｘが０となる位置関係を示す図である。また、図２Ｂは、距離Ｘが０〜ｄとなる位置関係を示す図であり、図２Ｃは、距離Ｘがｄとなる位置関係を示す図である。

波長合分波器１００は、シリコン基板１と、シングルモード光導波路２、３、２’と、溝４と、誘電体多層膜５とを有する。

シングルモード光導波路２、３、２’は、石英系のガラスで形成されているコアとクラッドとを具備する。誘電体多層膜５は、溝４内に設置されている。

光導波路２、３は、基板１の中央部において交差点Ｃ１を具備している交差光導波路を形成し、誘電体多層膜５における反射光を光導波路３に導く。また、光導波路２’の光軸を、光導波路２の光軸と一致させ、誘電体多層膜５を透過した透過光を光導波路２’に導く。光導波路２と３とが交わる位置には、溝４が設けられ、その中に誘電体多層膜５が挿入され、接着剤（図示せず）で固定されている。

誘電体多層膜５は、波長１２６０〜１５００ｎｍに透過帯を有し、波長１５５０〜１６００ｎｍに反射帯を有する短波長域通過型であり、厚さ約５μｍのポリイミド薄膜基板（基板部５１）上に、ＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５との交互多層膜が約３０μｍの厚さで形成されている多層膜である。

したがって、光導波路２に入力された波長域１２６０〜１５００ｎｍ帯の光と、波長域１５５０〜１６００ｎｍ帯の光とのうちで、波長域１２６０〜１５００ｎｍ帯の光を透過させて光導波路２’に結合させ、波長域１５５０〜１６００ｎｍ帯の光を反射させて光導波路３に結合させることができる。

誘電体多層膜５は、その多層膜表面５ｓ側が、光入射側に向くように設定され、また多層膜表面５ｓから光導波路交差点Ｃ１までの距離Ｘが、６μｍであるように設定されている。

上記のように、誘電体多層膜５の厚さが３０μｍであり、基板部５１の厚さが５μｍであり、誘電体多層膜５と基板部５１とが溝４に収まる。そのため、この合計の厚さ３０μｍ＋５μｍ＝３５μｍの半分である１７．５μｍが、多層膜表面５ｓから溝４の中心までの距離である。また、多層膜表面５ｓから光導波路交差点Ｃ１までの距離Ｘ＝６μｍであるので、光導波路交差点Ｃ１から溝４の中心までの距離は、１７．５μｍ−６μｍ＝１１．５μｍである。

つまり、光導波路交差点Ｃ１に対して、１１．５μｍだけ離れた距離に、溝４の中心が位置し、かつ、光導波路２と光導波路３との垂直２等分線に垂直に、しかも、誘電体多層膜５全体の厚さよりも２〜３μｍ広めの幅で、溝４が設定されている。

実施例１において、溝４は、ダイシング・ソーで形成した溝であり、溝４の形成時に位置基準となる金属マーカが、光導波路チップ（シリコン基板１）上に設けられているので、多層膜表面５ｓから光導波路交差点Ｃ１までの距離Ｘを、６μｍ±３μｍに収めることができる。

なお、図２Ａは、多層膜表面５ｓから光導波路交差点Ｃ１までの距離Ｘが０である位置関係を示し、図２Ｂは、距離Ｘが０≦Ｘ≦ｄである位置関係を示し（ｄは、誘電体多層膜５の厚さ）、図２Ｃは、距離Ｘが誘電体多層膜５の厚さｄと同じである位置関係を示している。

図３は、波長合分波器１００において、誘電体多層膜５の近傍（光導波路交差部Ｃ１の近傍）を示す図である。

シングルモード光導波路２、３、２’が交差する光導波路交差部Ｃ１には、誘電体多層膜５が設けられている。

なお、以後の説明では、シングルモード光導波路２を、入力光導波路２と表現し、シングルモード光導波路３を、出力光導波路３と表現し、シングルモード光導波路２’を、出力光導波路２’と表現する。

入力光導波路２は、入力光を導く光導波路であり、出力光導波路３は、誘電体多層膜５における反射光を導く光導波路であり、出力光導波路２’は、誘電体多層膜５における透過光を導く光導波路である。

後述する理由によって、誘電体多層膜５に入射する光ビームの発散角は小さい程よいので、光導波路の比屈折率差を、０．３〜０．４５％程度に押さえ、しかも、溝４に接する領域では光導波路幅を拡幅し、モードフィールド径を大きくする。

すなわち、入力光を導く入力光導波路２は、入力光導波路２ａと、テーパ光導波路２ｂと、拡幅光導波路２ｃとによって構成されている。つまり、入力光導波路２ａは、テーパ光導波路２ｂを介して、光導波路幅が広げられ、拡幅光導波路２ｃと接続されている。

出力光導波路２’は、出力光導波路２’ａと、テーパ光導波路２’ｂと、拡幅光導波路２’ｃとによって構成されている。つまり、出力光導波路２’ａは、テーパ光導波路２’ｂを介して、光導波路幅が広げられ、拡幅光導波路２’ｃと接続されている。

そして、入力光導波路２との光結合を維持するように、入力光導波路２ａ、テーパ光導波路２ｂ、拡幅光導波路２ｃに対して点対称になる位置に、出力光導波路２’ａ、テーパ光導波路２’ｂ、拡幅光導波路２’ｃが配置されている。

出力光導波路３は、出力光導波路３ａと、テーパ光導波路３ｂと、拡幅光導波路３ｃとによって構成されている。つまり、出力光導波路３ａは、テーパ光導波路３ｂを介して、光導波路幅が広げられ、拡幅光導波路３ｃと接続されている。

そして、入力光導波路２との光結合を維持するように、入力光導波路２ａ、テーパ光導波路２ｂ、拡幅光導波路２ｃに対して鏡面対称になる位置に、出力光導波路３ａ、テーパ光導波路３ｂ、拡幅光導波路３ｃが配置されている。

上記実施例において、光導波路は、比屈折率差０．３％であり、光の入出力端部における光導波路幅２ａ、３ａ、２’ａを、８μｍとし、テーパ光導波路２ｂ、３ｂ、２’ｂによって、光導波路幅を、２５μｍまで広げられている。また、光導波路２および３は、交差角１２度で交差されている。

上記実施例において、交差部Ｃ１における光導波路幅が拡大された領域では、テーパ光導波路で拡大された光のモードが安定するように、その光導波路幅が一定長等幅で維持されていることが好ましい。つまり、交差部Ｃ１における光導波路幅が拡大された領域では、交差する他方の光導波路と接触する位置、もしくはその外側まで上記光導波路の幅が等しいことが好ましい。

本発明者らが反射スペクトラムの劣化の原因について実験検討を進めた結果、光導波路交差部Ｃ１に対して誘電体多層膜５を設定する位置によって、スペクトラムの形状が、著しく変化することが明らかになった。

図４は、実施例１によって得られた分波特性を示す図である。

光導波路２から光導波路３に至る反射によって得られる分波特性のうちで、１５５０μｍよりも長波長部分における特性は、図４に示すように、平坦かつ低損失の特性であり、従来例で問題になっている長波長帯の損失増が解決されている。

図４において、１２５０ｎｍ〜１５００ｎｍの波長域と１５５０ｎｍ〜１６００ｎｍの波長域とを分波する場合を検討する。この場合、各通過帯域において、光源波長が最も近接する波長１５００ｎｍと波長１５５０ｎｍとにおいて、損失は１．５ｄＢ以下の良好な特性であることがわかる。

なお、相手波長の漏話を阻止する阻止量について、光導波路２→２’では、５０ｄＢ以上と十分であるが、光導波路２→３では、誘電体多層膜５の透過域リップルのために、２０ｄＢ程度に制限される。これは、実施例１の波長合分波器１００の構成に起因するものではなく、誘電体多層膜５から反射光を取り出す他のビーム型の波長合分波器の構成等でも見られる一般的なものである。

さらに、分波すべき波長間隔が近接し、その波長間隔が２５ｎｍになっても十分実用可能なレベルにある。たとえば波長１２５０ｎｍ〜１５１５ｎｍと、波長１５４０ｎｍ〜１６００ｎｍの帯域を分波する場合、損失２ｄＢ以下、阻止量３０ｄＢ（光導波路２→２’）が確保される。

図５は、上記実施例において、誘電体多層膜５の多層膜表面５ｓから交差点Ｃ１までの距離Ｘと、光導波路２→光導波路３に至る反射スペクトラムとの関係を示す図である。

上記「距離Ｘ」は、図２Ａ〜Ｃに示すように、光が入射する側の多層膜表面５ｓから光導波路中心が交差する点（交差点Ｃ１）までの距離であり、以下では、設定距離Ｘとも表現する。

実験では、交差点Ｃ１が、多層膜表面５ｓと一致する位置（図２Ａ、距離Ｘ＝０）から、交差点Ｃ１が、多層膜５と基板部５１との境界と一致する位置（図２Ｂ、距離Ｘ＝ｄ）まで、誘電体多層膜５の設置位置を変化させた。誘電体多層膜５は、５μｍ厚のポリイミド膜基板（基板部５１）上に、３０μｍ厚のＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５との交互多層膜を積層した短波長透過型フィルタであり、そのカットオフ波長は、１５３０ｎｍ近辺に設定されている。

また、光導波路において、比屈折率差は０．３％であり、標準幅Ｗ_１＝８μｍ、拡幅幅Ｗ_２＝２０μｍ、交差角２θ＝１２度である。

図５に示す例によれば、距離Ｘ＝０〜１２μｍの範囲では、距離Ｘが増加するとともに、カットオフ領域の傾斜特性が改善され、より急峻な矩形に近い形になっている。しかし、設定距離Ｘがさらに増加し、設定距離Ｘ＝１５〜３０μｍになると、カットオフ波長付近で損失最小になるピークが現れる。また、長波長側では損失が増加する傾向を示し、設定距離Ｘの増加に伴い、この傾向は顕著になる。

この長波長側における損失増加は、比較的急激であり、この範囲では、誘電体多層膜５で反射するビームの光導波路３への結合が急速に低下していると見られる。事前検討で認められた図１５に示す特性（ピークＰ）は、この領域のものと推測できる。このような特性を示す理由は、明確でないが、１つには、誘電体多層膜５からの反射の大部分は、多層膜表面５ｓ付近からの反射波で決まることである。反面、カットオフ領域の傾斜特性は、多層部全体からの反射波で決まるためと思われる。

そして、このような現象は、急峻な傾斜特性を実現するために積層数を増加させた厚い多層膜において顕著に現れると考えられ、本実施例で用いている短波長透過型エッジフィルタだけでなく、長波長透過型エッジフィルタやバンドパス型フィルタでも同様である。

図６は、図５に示す反射スペクトルにおいて、損失が０．７ｄＢとなる波長と２０ｄＢとなる波長の間隔を示す図であり、この波長間隔が小さい程、スペクトルの急峻性が良いことを示している。

ここで、距離Ｘ＝０〜１２μｍの範囲では、Ｘ＝１２μｍで若干のピークが存在するものの、距離Ｘが増加するとともに波長間隔が小さくなり、特性がより急峻な矩形状なっていることが確認できる。

また、波長間隔の狭い２つの波長帯を分離することを想定すると、設定距離Ｘは３μｍ以上であることが望ましい。

なお、設定距離Ｘ＝１５〜３０μｍにおいては、カットオフ波長付近で損失最小となるピークから長波長側へ行くに従って損失が増加し、１ｄＢを超えるスペクトル形状となっている（図５）。そのため、図６には、この領域の距離Ｘについては、図示していない。

図７は、カットオフ波長よりも長波長側における反射損失と距離Ｘとの関係を示す図である。

横軸は、誘電体多層膜表面から導波路交差点までの距離Ｘを示し、縦軸は、波長１５５０ｎｍにおける反射損失を示す。距離Ｘが、０から１５μｍまでの範囲では、反射損失が極端に増加することはなく、反射損失は、１ｄＢ以下である。さらに、距離Ｘが、３μｍから１２μｍの範囲では、反射損失が最小値をとる。

以上の実験結果によると、設定距離Ｘが、０から誘電体多層膜の厚さの１／２に相当する１５μｍまでの範囲では、長波長側において反射損失が極端に増加することはなく、長波長側における反射損失は、１ｄＢ以内である。さらに、設定距離Ｘが、誘電体多層膜の厚さの１／１０に相当する３μｍから同２／５に相当する１２μｍまでの範囲では、カットオフ特性がより矩形に近く、狭間隔で配置される波長に対しては、分離度が向上する。

すなわち、設定距離Ｘ＝３〜１２μｍの範囲が、カットオフ領域の傾斜特性と反射損失とが両立する最適な範囲である。この傾向は、交差光導波路のパラメータを変えた他の場合にも、ほぼ同様に生じる現象である。

上記実施例では、従来例において課題である反射スペクトラムの劣化を抑制するために、光導波路交差部Ｃ１に対する誘電体多層膜５の設定距離Ｘを、所定の範囲に制御する点が最大の特徴である。

図８は、交差部における光導波路幅Ｗ_２を、８μｍ、２０μｍとし、交差角２θを、８、１０、１２度とした場合において、設定距離Ｘの適正範囲をまとめた図である。

ここで、２０μｍ／１２度は、図５の場合に相当するものである。なお、光導波路幅Ｗ_２＝８μｍは、交差部Ｃ１において光導波路の拡幅がされずに、全領域において８μｍの光導波路で構成された場合であり、光導波路幅２０μｍは、交差部Ｃ１において、８μｍの標準光導波路幅が２０μｍに拡幅されている場合を示す。

図８において、○印は、カットオフ領域の傾斜特性と反射損失とが両立する最適範囲であることを示し、△印は、反射損失が許容できる範囲内であることを示し、×印は、設定距離Ｘとして不適当な距離であることを示している。光導波路幅、交差角とは無関係に、図５に示す場合と同様の結果を得ることができる。

図９は、光導波路の比屈折率差を、０．４５％に設定し、誘電体多層膜５が、カットオフ波長１６２０ｎｍ近傍に設定されたＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５交互多層膜約４０μｍのものに変えた場合を示す図である。

図９に示す場合の結果は、図８に示す場合と同様の結果になる。

図１０は、誘電体多層膜５の厚さを２５μｍと薄くした場合に、カットオフ波長よりも長波長側の反射損失と距離Ｘとの関係を示す図である。

横軸は、誘電体多層膜表面から導波路交差点までの距離Ｘを示し、縦軸は、波長１５５０ｎｍにおける反射損失を示す。用いた誘電体多層膜のカットオフ波長は、１５３０ｎｍであり、導波路の交差角２θは、１２度であり、比屈折率差は、０．３％であり、導波路の標準幅、拡幅された幅は、それぞれ８μｍ、２５μｍである。設定距離Ｘが０から多層膜厚の１／２に相当する１２．５μｍまでの範囲では、反射損失が１ｄＢ以下と良好な特性を示している。さらに、多層膜厚の１／１０に相当する２．５μｍから同２／５に相当する１０μｍまでの範囲では、より低損失な特性を得ることができる。

上記結果をまとめると、損失増を招かないためには、光入射側から誘電体多層膜５の厚さの半分までの領域を、光導波路交差点Ｃ１に一致させることが必要である（つまり、０≦Ｘ≦ｄ／２である）。

また、損失およびカットオフ特性をともに良好とするには、上記領域のうちで、多層膜厚の１０％程度分、内部に制限された領域に、設定距離Ｘを設定することが好ましい。つまり、損失およびカットオフ特性をともに良好とするには、ｄ／１０≦Ｘ≦２ｄ／５であることが好ましい。

すなわち、上記実施例では、誘電体多層膜の光入射側の多層膜表面から交差する２本の光導波路の中心の交点までの距離Ｘが、０≦Ｘ≦ｄ／２（ｄは、上記誘電体多層膜の厚さ）に設定されている例である。

次に、光導波路パラメータが合分波特性に及ぼす影響について説明し、適正な光導波路パラメータの範囲について説明する。

光導波路間に誘電体多層膜５を設置する波長合分波器１００では、光導波路から溝４の領域に出射し、誘電体多層膜５に入射する光は、発散光になる。これは、平行光入射を前提とする誘電体多層膜５の特性を劣化させることになる。

発散光の場合、誘電体多層膜５への入射角は、光導波路交差角で決まる角度を中心として発散角の分だけ広がりを持ち、互いに異なる角度で誘電体多層膜５に入射する。このように互いに異なる角度で誘電体多層膜５に入射するので、上記特性の劣化が生じる。これは、異なる入射角によって、カットオフ波長が少しずつずれるので、その重畳として現れる誘電体多層膜５の応答におけるカットオフ領域の傾斜が、平行光入射と比べて鈍るためである。

この影響を小さくするためには、低比屈折率差の光導波路を用い、また、溝４に接する光導波路幅を拡大することが有効である。このように、低比屈折率差の光導波路を用い、溝４に接する光導波路幅を拡大することによって、溝４に接する光導波路のモードフィールド径が局所的に拡がり、誘電体多層膜５に出射する光ビームの発散角が小さくなる。

比屈折率差が０．３％未満であると、標準的な接続用ファイバの比屈折率差と整合しなくなり、また、光導波路の許容曲げ半径が増大し、光導波路寸法が大きくなるので、比屈折率差を０．３％未満にすることは、実用的でない。一方、比屈折率差が０．４５％以上であると、誘電体多層膜５のカットオフ領域の傾斜特性が劣化するので、目的とする波長分離度を得ることができない。

したがって、比屈折率差は、０．３〜０．４５％程度がよい。

また、拡幅光導波路の好ましい寸法Ｗ_２は、比屈折率差が０．３〜０．４５％である場合、入出力光導波路２ａの標準幅Ｗ_１＝７〜８μｍに対して、幅Ｗ_２が１８μｍ以上であることがよい。これは、入出力光導波路の幅Ｗ_２が１８μｍよりも小さいと、モードフィールド径の拡大効果が十分ではないためである。

さらに、光導波路を構成するコアの厚さを、７〜１０μｍに設定し、入出力光導波路２ａの断面を、略矩形のコア形状とするが、コア厚をやや厚めに設定することによって、光導波路の曲げ損失を抑えることができる。このようにすれば、曲げ部の曲率を小さくし、光導波路を小型にする場合に有利である。

テーパ光導波路２ｂの長さｌ_１は、テーパ角度が片側１度以下にするのがよく、このようにすることによって、テーパが緩やかになり、モードフィールド径が徐々に拡大されるので、過剰損失の発生を抑えることができる。拡幅光導波路２ｃを、一定長の等幅で延ばすことがよく、拡幅光導波路２ｃの長さｌ_２は、交差する他方の導波路と接触する位置よりも長めに取られている。拡幅光導波路２ｃの長さｌ_２として、一定長を確保することによって、拡幅光導波路２ｃ中を伝播するモードが安定化される。これにより、誘電体多層膜５に出射する光ビームの中心が、光導波路中心と一致し、反射特性も安定に保たれる。

カットオフ領域の傾斜特性は、図３に示す光導波路交差角２θにも依存する。これは、誘電体多層膜５のカットオフ波長がｃｏｓθに比例するので、発散光によるカットオフ領域の傾斜特性の劣化が、誘電体多層膜５への入射角θが大きい程、顕著に現れる。そのため、カットオフ領域の傾斜特性が、光導波路交差角２θに依存することになる。

したがって、カットオフ領域の傾斜特性を劣化させないためには、交差角２θを小さくすることがよい。交差角２θを小さくすると、誘電体多層膜５における反射減衰特性が劣化するが、拡幅された光導波路構成を採用することによって、当該反射減衰特性の劣化を軽減することができる。

図１１は、上記実施例において、光導波路交差角２θに対する反射減衰量を、拡幅された光導波路幅Ｗ_２をパラメータとして示す図である。

ここで、比屈折率差が０．３％程度の光導波路を使用している。

図１１から、光導波路交差角２θを小さく設定すると、反射減衰特性が劣化するが、同じ光導波路交差角２θでも、光導波路幅Ｗ_２が大きい場合には、反射減衰量が大きい。そして、光導波路交差角を８〜１２度に設定し、光導波路幅Ｗ_２を２０μｍ以上にすれば、反射減衰特性として概ね良好な３５ｄＢ以上が得られることが判る。この傾向は、比屈折率差が０．４５％程度である光導波路の場合も同様であり、光導波路幅Ｗ_２を調整することによって、光導波路交差角を８〜１２度の範囲に設定することができる。

図１２は、上記実施例において、交差角をパラメータとし、光導波路拡幅構造がある場合（実線）と、無い場合（点線）とにおいて、反射スペクトラムを、そのカットオフ領域で比較した図である。

図１２は、上記拡幅光導波路の導入と、交差角の設定とがカットオフ領域の傾斜特性に及ぼす影響を示す図である。カットオフの傾斜は、交差角が１６度の場合よりも、交差角が１２度の場合に改善され、交差角を１２度または１６度で一定にすれば、光導波路幅を２０μｍに拡幅することによって、カットオフの傾斜がより急峻になることが判る。このようなカットオフ領域の傾斜特性の改善効果は、光導波路２から光導波路２’に至る透過特性においても得られる。

上記実施例は、１つの波長帯域の端と別の波長帯域の端とが５０ｎｍ程度以下の間隔で配置されている２つの波長帯域を分離するための波長合分波器である。互いに交差する２本の光導波路の交差部に、誘電体多層膜を設け、上記誘電体多層膜への入射光を透過光と反射光とに分離する。ここで、上記誘電体多層膜の光入射側の多層膜表面から上記交差する２本の光導波路の中心の交点までの距離Ｘが、０≦Ｘ≦ｄ／２（ｄは、上記誘電体多層膜の厚さ）であるように、設定されている例である。

また、誘電体多層膜５の多層膜厚さが、２０μｍ以上に厚くなる場合に上記の距離Ｘの設定が特に有効となる。

図１３は、本発明の実施例２である波長合分波器２００を示す図であり、誘電体多層膜５の近傍（光導波路交差部Ｃ１の近傍）を示す図である。

波長合分波器２００は、基本的には、波長合分波器１００と同じであるが、出力導波路３に対して点対称位置に導波路３’が設けられている点のみが、波長合分波器１００とは異なる。

出力光導波路３’は、出力光導波路３’ａと、テーパ光導波路３’ｂと、拡幅光導波路３’ｃとによって構成されている。つまり、出力光導波路３’ａは、テーパ光導波路３’ｂを介して、光導波路幅が広げられ、拡幅光導波路３’ｃと接続されている。

なお、導波路３’を、モニタ用端子等として使用するようにしてもよく、また、導波路３’を使用せずに開放端としてもよい。

Claims (5)

1. 光波長多重方式の光通信に使用される波長合分波器であって、互いに交差する２本の光導波路の交差部に、誘電体多層膜を設け、上記誘電体多層膜への入射光を透過光と反射光とに分離する波長合分波器において、
   上記誘電体多層膜の多層膜厚ｄが２０μｍ以上であり、上記反射光の損失が１ｄＢ以内となるように上記誘電体多層膜の光入射側の多層膜表面から上記交差する２本の光導波路の中心の交点までの距離Ｘがｄ／１０≦Ｘ≦２ｄ／５であることを特徴とする波長合分波器。
2. 請求項１において、
   上記交差する２本の光導波路は、上記交差部に向かって、光導波路幅が拡大されていることを特徴とする波長合分波器。
3. 請求項２において、
   上記拡大された光導波路幅は、上記交差部近傍において、一定であることを特徴とする波長合分波器。
4. 請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項において、
   上記光導波路の比屈折率差は、０．３％〜０．４５％に設定されていることを特徴とする波長合分波器。
5. 請求項１〜請求項４のうちのいずれか１項において、
   上記交差する２本の光導波路の交差角が、８〜１２度であることを特徴とする波長合分波器。

Images