(57)【要約】【課題】      損失を低くした光分岐装置を提供することを目的とする。【解決手段】  入力導波路１と、入力導波路１に接続されたモード変換テーパ導波路２と、モード変換テーパ導波路２に接続された２つの出力導波路３，４とからなり、入力導波路１からモード変換テーパ導波路２への光波の伝搬においては、モード変換テーパ導波路２の基底モードおよび高次モードが励振され、かつ前記基底モードが散逸しない構造を有すると共に、前記基底モードおよび前記高次モードによる干渉縞が、モード変換テーパ導波路２における出力導波路３，４との接続位置にその強度を局在させる構造を有し、入力導波路１と出力導波路３，４とを効率良く結合して、光波の損失を低減させるようにした。【選択図】        図１
2006106372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に構成された光導波路による光分岐装置であって、
入力導波路と、前記入力導波路に接続されたモード変換テーパ導波路と、前記モード変換テーパ導波路に接続された２つの出力導波路とからなり、
前記入力導波路から前記モード変換テーパ導波路への光波の伝搬においては、前記モード変換テーパ導波路の基底モードおよび高次モードが励振され、かつ前記基底モードが散逸しない構造を有すると共に、
前記基底モードおよび前記高次モードによる干渉縞が、前記モード変換テーパ導波路における前記出力導波路との接続位置にその強度を局在させる構造を有することを特徴とする光分岐装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光分岐装置であって、
前記モード変換テーパ導波路の入射端から出射端までの伝搬における前記基底モードの位相変化と前記高次モードの位相変化の差が、入力光信号波長においてπとなるように、前記モード変換テーパ導波路の長さを設定したことを特徴とする光分岐装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光分岐装置であって、
前記モード変換テーパ導波路の幅の平方が前記入力導波路と前記モード変換テーパ導波路との接続位置からの光波の伝搬方向の距離ｚを変数とする１次関数にて変化することを特徴とする光分岐装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の光分岐装置であって、
前記モード変換テーパ導波路が、入射光波長において基底モードおよび２次までの高次モードの存在を許す幅、高さ、比屈折率差の構造を有することを特徴とする光分岐装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ通信における光分岐装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信技術の急速な発達により、各種光部品が研究開発されており、中でも平面基板上の光導波路を基本とした導波路型光部品が最も重要な位置を占めている。これは、導波路型光部品がフォトリソグラフィ技術および微細加工技術により光波長以下の精度で再現性良く量産可能という特徴を有するからである。とくに、石英系光導波路により構成される光分岐装置は、容易にアレイ化を実現でき、経時変化に対する安定性、制御性の点において優れており、ＦＴＴＨへの応用を念頭に精力的に研究が進められている。
【０００３】
下記非特許文献１には、図３に示すような光分岐装置が開示されている。この光分岐装置１０では、幅Ｗ１の入力導波路１１より入射した光波は、幅Ｗ２（Ｗ１＞Ｗ２）のモードフィルタ導波路１２を経由して、長さＬ、始端幅Ｗ２、終端幅Ｗｅで線形にその幅を広げるテーパ導波路１３へと入射する。テーパ導波路１３への光信号の入力に際しては、光波はテーパ導波路１３の基底モードを励振するが、その伝搬に従ってその電界分布の幅を徐々に広げている。テーパ導波路１３の出力端面である終端面１３ａには幅Ｗ１の２つの出力導波路１４，１５が接続されており、テーパ導波路１３の出力端面における光電界は出力導波路１４，１５へとそれぞれ結合する。しかしながら、このような光分岐装置１０においては、製造上の制限、すなわちフォトリソグラフィの解像度やエッチング分解能の制限により、テーパ導波路１３と２つの出力導波路１４，１５とがそれぞれ接続する接続位置の間に、製造上不可避のギャップＧが形成される。このギャップＧから、テーパ導波路１３を伝搬した光波の一部分は漏れ出すため、光分岐装置１０の全体における損失は増加する。
【０００４】
また、非特許文献２には、１ｘ２多モード干渉カプラに関する技術が記載されている。この多モード干渉カプラは、上記光分岐装置１０と同様の光分岐機能を有する。図４に示すように、１ｘ２多モード干渉カプラ２０では、幅Ｗの単一モード導波路である入力導波路２１より入射した光波は幅Ｗｓ（Ｗ＜Ｗｓ）、長さＬの多モード導波路２２へ入射する。多モード導波路２２では、その基底モードに加え高次モードが励振され、各モードの干渉により光パワーは特定の位置に山を形成する。さらに、前記山は光波の伝搬に従ってその位置を変化させる。多モード導波路２２の終端面２２ａにおいて、その干渉縞は光パワーを距離Ｓ0だけ離れた２つの山に局在させる。したがって、光パワーは、多モード導波路２２の終端面２２ａにおける光パワーの局在位置に距離Ｓ0だけ離れて接続された幅Ｗの出力導波路２３，２４に効率的にそれぞれ結合し、光分岐装置として動作する。出力導波路２３，２４は、単一モード導波路である。
【０００５】
このように、多モード干渉カプラ２０では２次以上の高次のモードの干渉を利用して出力導波路２３，２４の接続位置に干渉縞の山を設定する必要があるため、多モード導波路２２の幅Ｗｓを広く設定する必要がある。しかしながら、多モード導波路２２では各モードの波長分散は異なるため、その干渉縞の状態にも波長依存性が生じる。さらに、多モード導波路２２の幅Ｗｓを十分広くした結果として、多モード導波路２２の基底モードは多モード導波路２２の側面２２ｂから散逸し、損失を増大させるという欠点を有する。その上、多モード導波路２２では、一般的に、光の偏波面によって感じる等価屈折率が大きく異なるため、損失の偏波依存性も存在する。
【０００６】
【非特許文献１】A.Klekamp,P.Kersten, and W. Rehm, “An Improved Single-Mode Y-Branch Design for Cascaded 1:2 Splitters”, IEEE J.Lightwave Technol.,Vol.14,No.12,2684-2686,1996
【非特許文献２】M.Bouda,J.W.M. van Uffelen,C. van Dam, and B.H. Verbeek,“Compact 1x16 power splitter based on symmetric 1x2 MMI splitters,”Electron. Lett., Vol.30,No.21,pp.1756-1757,1994.
【非特許文献３】W.K. Burns, A.F. Milton, A.B Lee, “Optical waveguide parabolic coupling hours,”Appl.Phys.Lett., Vol.30,pp.28-30,1997
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、従来の光分岐装置においては、製造上の制限により、その損失を増加させてしまうという問題が生じていた。発明者は、上記光分岐装置１０の各パラメータを、Ｗ１＝７μｍ、Ｗ２＝５μｍ、Ｌ＝４００μｍ、Ｗｅ＝１６μｍとし、比屈折率差０．５％の石英系光導波路により検証した。この検証によれば、上記光分岐装置１０は、原理的に生じる３ｄＢの損失に加えて、およそ０．６ｄＢから０．７ｄＢの過剰損失を有していた。このような過剰損失は、光分岐装置をツリー状に多段に縦列接続して構成する１ｘＮスプリッタにおいては、全体で（１段あたりの過剰損失）×Log2Nの損失増加を与えることになり、たとえば４段の光分岐装置を縦列接続する１ｘ１６光スプリッタにおいては、およそ１．８ｄＢから２．１ｄＢの過剰損失を生じさせてしまうことが分かった。
【０００８】
また、発明者は、上記多モード干渉カプラ２０の各パラメータを、Ｗ＝６μｍ、Ｗｓ＝２８μｍ、Ｌ＝２００μｍとし、比屈折率差０．５％の石英系光導波路により検証した。このとき干渉縞が山を形成する位置は、Ｓｏ＝２０μｍであった。このようなパラメータを有する多モード干渉カプラ２０では、過剰損失は１．２μｍの無偏光に対して０．９ｄＢ、１．６μｍの無偏光に対して０．２ｄＢとなり大きな波長依存性を示すと共に、１．５５μｍにおいてＴＥ偏光に対して０．３ｄＢ、ＴＭ偏光に対して０．６ｄＢとなり大きな偏波依存性を示した。
【０００９】
そこで、本発明は、前述した問題に鑑み提案されたもので、波長依存性および偏波依存性を低くすると共に、損失を低くする光分岐装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決する第１の発明に係る光分岐装置は、基板上に構成された光導波路による光分岐装置であって、入力導波路と、前記入力導波路に接続されたモード変換テーパ導波路と、前記モード変換テーパ導波路に接続された２つの出力導波路とからなり、前記入力導波路から前記モード変換テーパ導波路への光波の伝搬においては、前記モード変換テーパ導波路の基底モードおよび高次モードが励振され、かつ前記基底モードが散逸しない構造を有すると共に、前記基底モードおよび前記高次モードによる干渉縞が、前記モード変換テーパ導波路における前記出力導波路との接続位置にその強度を局在させる構造を有することを特徴とする。
【００１１】
上述した課題を解決する第２の発明に係る光分岐装置は、第１の発明に記載の光分岐装置であって、前記モード変換テーパ導波路の入射端から出射端までの伝搬における前記基底モードの位相変化と前記高次モードの位相変化の差が、入力光信号波長においてπとなるように、前記モード変換テーパ導波路の長さを設定したことを特徴とする。
【００１２】
上述した課題を解決する第３の発明に係る光分岐装置は、第１の発明または第２の発明に記載の光分岐装置であって、前記モード変換テーパ導波路の幅の平方が前記入力導波路と前記モード変換テーパ導波路との接続位置からの光波の伝搬方向の距離ｚを変数とする１次関数にて変化することを特徴とする。
【００１３】
上述した課題を解決する第４の発明に係る光分岐装置は、第１の発明乃至第３の発明の何れかに記載の光分岐装置であって、前記モード変換テーパ導波路が、入射光波長において基底モードおよび２次までの高次モードの存在を許す幅、高さ、比屈折率差の構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明に係る光分岐装置によれば、基板上に構成された光導波路による光分岐装置であって、入力導波路と、前記入力導波路に接続されたモード変換テーパ導波路と、前記モード変換テーパ導波路に接続された２つの出力導波路とからなり、前記入力導波路から前記モード変換テーパ導波路への光波の伝搬においては、前記モード変換テーパ導波路の基底モードおよび高次モードが励振され、かつ前記基底モードが散逸しない構造を有すると共に、前記基底モードおよび前記高次モードによる干渉縞が、前記モード変換テーパ導波路における前記出力導波路との接続位置にその強度を局在させる構造を有することにより、前記モード変換テーパ導波路の終端面における前記２つの出力導波路の間に形成されるギャップによらず、モード間の干渉縞を利用して、前記モード変換テーパ導波路の光波と前記２つの出力導波路とを効率的にそれぞれ結合することができる。また、基底モードの散逸を避ける構成をとるので、従来の多モード干渉カプラにおいて生じていた損失増加が存在しないようになる。その結果、損失を低くすることができる。
【００１５】
第２の発明に係る光分岐装置によれば、第１の発明に記載の光分岐装置であって、前記モード変換テーパ導波路の入射端から出射端までの伝搬における前記基底モードの位相変化と前記高次モードの位相変化の差が、入力光信号波長においてπとなるように、前記モード変換テーパ導波路の長さを設定したことにより、前記モード変換テーパ導波路に前記２つの出力導波路が接続する接続位置に干渉縞の山が存在するようになり、前記モード変換テーパ導波路の終端面における光パワーは、前記２つの出力導波路に効率的にそれぞれ結合することができる。
【００１６】
第３の発明に係る光分岐装置によれば、第１の発明または第２の発明に記載の光分岐装置であって、前記モード変換テーパ導波路の幅の平方が前記入力導波路と前記モード変換テーパ導波路との接続位置からの光波の伝搬方向の距離ｚを変数とする１次関数にて変化することにより、前記モード変換テーパ導波路の幅の変化角度より前記基底モードの伝搬角が小さくなるので、前記基底モードが散逸しないようになる。
【００１７】
第４の発明に係る光分岐装置によれば、第１の発明乃至第３の発明の何れかに記載の光分岐装置であって、前記モード変換テーパ導波路が、入射光波長において基底モードおよび２次までの高次モードの存在を許す幅、高さ、比屈折率差の構造を有することにより、前記基底モードと前記２次モードまでの波長分散および偏波モード分散の影響を最小限に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明に係る光分岐装置を実施するための最良の形態を実施例に基づき具体的に説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施例に係る光分岐装置の概略図であり、図２は、本発明の第１の実施例に係る光分岐装置における２つの出力導波路から出力される光パワーの和の減衰量を示したグラフである。
【００２０】
本発明の第１の実施例に係る光分岐装置は、図１に示すように、幅Ｗｓの入力導波路１と、この入力導波路１に接続されたモード変換テーパ導波路２と、モード変換テーパ導波路２に接続された２つの出力導波路３，４とからなる。入力導波路１に入射した光波は、モード変換テーパ導波路２を通って、２つの出力導波路３，４にそれぞれ伝搬する。モード変換テーパ導入路２の幅Ｗ（ｚ）は、下記（１）式で示すように、モード変換テーパ導波路２の幅Ｗ（ｚ）の平方が入力導波路１とモード変換テーパ導波路２との接続位置からの光波の伝搬方向の距離ｚを変数とする１次関数にて変化し、前記光波の伝搬方向に向かって徐々に太くなる形状となっている。
【数１】
2006106372.tif 000003
【００２１】
ただし、λは光信号の波長、ｎはモード変換テーパ導波路２の実行屈折率、αは定数であり、ｘ軸をモード変換テーパ導波路２の幅方向とし、x-z座標系を図１に示すように定義する。すなわち、モード変換テーパ導波路２は所定の長さＬを有しており、その終端面２ａにおいてその幅はＷｅとなる。
【数２】
2006106372.tif 000004
【００２２】
また、モード変換テーパ導波路２との接続位置における出力導波路３，４の始端面３ａ，４ａでは、幅Ｗ0を有する。モード変換テーパ導波路２の終端面２ａにおける２つの出力導波路３，４の接続位置の間に、フォトリソグラフィの解像度等で決まる製造上不可避のギャップＧが形成される。これら出力導波路３，４の始端面３ａ，４ａにおける幅Ｗ0と、ギャップＧと、モード変換テーパ導波路２の終端面２ａの幅Ｗｅとの間に、下記（２）式で示す関係を有する。
２×Ｗ0＋Ｇ＝Ｗｅ            （２）
【００２３】
出力導波路３，４は、それらの始端面３ａ，４ａ側から終端面３ｂ，４ｂ側に向かって平行に延び、続いてそれらの導波路３，４の比屈折率差Δによって決まる曲率半径Ｒでそれぞれ対向する側に向かって凸となるように曲がって延び、続いて曲率半径Ｒで外側に向かって凸となるように曲がって延びている。さらに、出力導波路３，４は、それらの終端面３ｂ，４ｂでは間隔Ｓまで離れ、平行に延在する配置となり、それらの終端面３ｂ，４ｂの幅は、入力導波路１と同じ幅Ｗｓとなるように曲がりながらテーパを有する構造をとなっている。
【００２４】
ここで、上記光分岐装置６にて、基底モードが散逸しないことを以下に示す。
上記（１）式のとき、モード変換テーパ導波路２の幅Ｗ（ｚ）の変化率は、上記（１）式を変数ｚで微分して、下記（３）式となる。
【数３】
2006106372.tif 000005
よって、モード変換テーパ導波路２の幅の変化角度θhは、以下の（４）式となる。
【数４】
2006106372.tif 000006
上記（４）式を式変形して、下記（５）式となる。
【数５】
2006106372.tif 000007
一方、基底モードの伝搬角θpは、下記（６）式で表される。
【数６】
2006106372.tif 000008
よって、θhとθpとの間には、下記（７）式の関係が成り立つ。
θh＝αθp          （７）
ここで、αは１より小さい（α＜１）ので、下記（８）式が成り立つ。
θh＜θp            （８）
したがって、モード変換テーパ導波路２の幅の変化角度θhは基底モードの伝搬角θpより小さくなるので、基底モードは散逸しないようになる。
【００２５】
上述した基底モードの伝搬角θpは光線理論で説明される基底モードに対する反射角であり、これ以上の角度ではコアクラッド境界にて光がクラッドへ漏れ出す限界角である。すなわち、モード変換テーパ導波路２の幅の変化角度θhはθpよりも大きくなると、基底モードはクラッドへと漏れ出す。すなわち、式（８）の条件の下では、変化角度θhは基底モードの伝搬角θpがより小さくなるので、全反射を繰り返させつつモード変換テーパ導波路２の幅を広げることが可能となる。ここで、θh、θpは上記非特許文献３に示されるθh、θpと同様の定義である。
【００２６】
本実施例１では、上述の各パラメータとして、Ｗｓ＝７．５μｍ、Ｌ＝２９０μｍ、α＝０．２５、Ｒ＝１５ｍｍ、Δ＝０．４５％、Ｓ＝２５０μｍ用いて光分岐装置を作製した。また、モード変換テーパ導波路２導波路の高さ、即ちモード変換テーパ導波路２の長さＬとその幅Ｗ（ｚ）とで形成される面に垂直な方向の大きさを７μｍとした。とくに製造上不可避なギャップＧを典型的な値である約３μｍとした。したがって、出力導波路３，４の始端面３ａ，４ａにおける幅Ｗｏはそれぞれ１３．５μｍとなる。上述したパラメータを用いた計算によれば、モード変換テーパ導波路２の終端面２ａにおいては基底モードと２次モードまでの高次モード（１次モードおよび２次モード）の存在が許容され、それぞれの等価屈折率はｎ０＝１．４５４０、ｎ１＝１．４５６６、ｎ２＝１．４５７１となる。このように、２次までの高次モードのみの存在を許す構造となっているため、基底モードと２次モードまでの波長分散および偏波モード分散の影響を最小限に抑えることができる。
【００２７】
さらに上記光分岐装置６によれば、入力導波路１からモード変換テーパ導波路２へと入射する光波は、モード変換テーパ導波路２の偶数時のモードのみ励振する。これは、モード変換テーパ導波路２への入射位置が光の伝搬時に対して線対称であることによる。加えて、基底モードと２次モードの励振比率はおよそ３：１になることが計算よりわかった。したがって、基底モードと２次モードの干渉縞は鮮明度０．７５となる。
【００２８】
また、モード変換テーパ導波路２の長さＬが２９０μｍのとき、干渉縞は出力導波路３，４の存在位置に山を形成する。すなわち、上述した各パラメータを有する光分岐装置６では、入力導波路１が接続するモード変換テーパ導波路２の入力端面からその出力端面である終端面２ａまでの光波の伝搬における基底モードの位相変化と２次モードの位相変化の差が、入力光信号波長においてπとなる条件を有している。言い換えれば、基底モードと２次モードの位相変化量の差を当該波長においてπとする長さＬおよびαを与えることで、本発明の光分岐装置を実現することができる。
【００２９】
作製にあたっては、シリコン基板上に火災堆積法（ＦＨＤ：Flame Hydrolysis Deposition）を用いて石英系ガラスを堆積し、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングにより光導波路構造を形成する通常の石英系光導波路の製造方法を適用して実現した。このとき、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングにより決まるギャップＧはおよそ２μｍであった。図２から明らかなように、ＴＥ，ＴＭの両偏波において波長域１．２μｍから１．６μｍまで減衰量は０．１５ｄＢ以下に抑えられており、波長依存性がないことが分かると共に、ＴＥ偏波の損失とＴＭ偏波の損失との差が最も大きくなる波長１．３μｍにて０．０２ｄＢとなるので、偏波依存性も無いことが分かる。
【００３０】
したがって、本発明の第１の実施例に係る光分岐装置６によれば、モード変換テーパ導波路２の終端面２ａにおける出力導波路３，４の間に形成されるギャップＧによらず、モード間の干渉縞を利用して、モード変換テーパ導波路２の光波と出力導波路３，４とを効率的にそれぞれ結合することができる。また、基底モードの散逸を避ける構成をとるので、従来の多モード干渉カプラにおいて生じていた損失増加が存在しないようになる。
【００３１】
また、従来の多モード干渉カプラでは、上記光分岐装置６と同様の干渉効果を利用するものの、多モード導波路での基底モードの散逸により、損失の増大を招いていた。これに対し、上記光分岐装置６では、基底モードの散逸を避ける構成となっているので、多モード干渉カプラにおいて生じていた損失増加が存在しないようになっている。その結果、上記光分岐装置では、損失を低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施例に係る光分岐装置の概略図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る光分岐装置における２つの出力導波路から出力される光パワーの和の減衰量を示したグラフである。
【図３】従来の光分岐装置の概略図である。
【図４】従来の多モード干渉カプラの概略図である。
【符号の説明】
【００３３】
１      入力導波路
２      モード変換テーパ導波路
３，４  出力導波路
６      光分岐装置
【図１】
2006106372.tif 000009
【図２】
2006106372.tif 000010
【図３】
2006106372.tif 000011
【図４】
2006106372.tif 000012