(57)【要約】【課題】素子形成に高い寸法精度が要求されず、分波すべき複数の波長の間隔が不等間隔であっても、偏波無依存で波長分離が可能である光波長分波器を提供する。【解決手段】波長分波素子10と、第1波長フィルタ12と、第2波長フィルタ(第1)14及び第2波長フィルタ(第2)16を備えた光波長分波器である。波長分波素子は、1310 nm近傍のλ1とλ2を含む第1波長帯域(波長成分10A)と、1490 nmの波長λ3と1550 nmの波長λ4を含む第2波長帯域(波長成分10B)とに分岐して出力する。第2波長フィルタ(第1)は、第2波長帯域から、1310 nmより長波長λ2を除去し1490 nmの波長λ3を透過させ、第2波長フィルタ(第2)は1550 nmの波長λ4を除去し、十分な波長スペクトル純度の他方の選択光である1490 nmの波長λ3(選択波長成分16B)を出力する。【選択図】図１
2015203721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長分波素子と、第1波長フィルタと、第2波長フィルタを備え、
前記波長分波素子は、入力光を異なる波長帯域である第1波長帯域と第2波長帯域とに分岐して、前記第1波長帯域の波長成分と前記第2波長帯域の波長成分を別々の出力ポートから出力し、
前記波長分波素子の一方の出力ポートには、当該出力ポートから出力される前記第1波長帯域から所定の波長成分を選択し、選択する波長成分以外を除去する第1波長フィルタが接続され、
前記波長分波素子の他方の出力ポートには、当該出力ポートから出力される前記第2波長帯域から所定の波長成分を選択し、選択する波長成分以外を除去する第2波長フィルタが接続されており、
前記第1波長フィルタ及び前記第2波長フィルタは、前記波長分波素子の後段に、前記第1及び第2波長帯域のそれぞれから、選択すべき出力光を十分な波長スペクトル純度で出力させるために必要とされる段数のカスケード接続がなされている
ことを特徴とする光波長分波器。
【請求項２】
前記第1波長フィルタ及び前記第2波長フィルタのいずれか一方または双方は、複数のサブ波長フィルタを直列に接続して構成される
ことを特徴とする請求項1に記載の光波長分波器。
【請求項３】
前記第1波長フィルタは、前記第1波長帯域から選択すべき出力光を十分な波長スペクトル純度で出力させるために必要な段数のサブ波長フィルタをカスケード接続して構成され、
前記第2波長フィルタは、前記第2波長帯域から選択すべき出力光を十分な波長スペクトル純度で出力させるために必要な段数のサブ波長フィルタをカスケード接続して構成される
ことを特徴とする請求項1に記載の光波長分波器。
【請求項４】
前記第1波長帯域は、1310 nm近傍で1310 nmより短波長側のλ1と長波長側のλ2を含み、前記第2波長帯域は、1490 nmの波長λ3と1550 nmの波長λ4を含み、
前記第1波長フィルタは、前記第1波長帯域の波長成分から前記1550 nmの波長λ4を除去し、波長λ1と波長λ2の中間の波長である1310 nmの波長の光を透過させ、
前記第2波長フィルタは、前記第2波長帯域の波長成分から前記1310 nmより長波長側の波長λ2を除去し前記1490 nmの波長λ3を透過させる、前記サブ波長フィルタである第2波長フィルタ第1と、当該第2波長フィルタ第1の後段に、前記1550 nmの波長λ4を除去し前記1490 nmの波長λ3を透過させる、前記サブ波長フィルタである第2波長フィルタ第2とが、第1第2の順で直列に接続して構成されている
ことを特徴とする請求項3に記載の光波長分波器。
【請求項５】
前記波長分波素子、並びに第1及び第2波長フィルタは、方向性結合器を備えたマッハ・ツェンダ干渉器であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の光波長分波器。
【請求項６】
前記波長分波素子、並びに第1及び第2波長フィルタは、多モード干渉(MMI: multimodal interface)器であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の光波長分波器。
【請求項７】
前記マッハ・ツェンダ干渉器を構成する光の干渉の現象を発現させるための2光路を、互いに導波路幅の異なる干渉導波路を含んで構成し、当該干渉導波路のそれぞれの導波路幅と、前記方向性結合器を構成する導波路の導波路幅とが、偏波無依存の導波特性が得られるように設定されていることを特徴とする請求項5に記載の光波長分波器。
【請求項８】
前記多モード干渉器を、主MMI導波路を中心として、当該主MMI導波路の前段に入力ポートを形成するテーパ導波路を設け、後段に導波路幅調整用のテーパ導波路、接続用導波路及び、出力ポートを形成するテーパ導波路を設けて構成し、前記主MMI導波路の導波路幅が偏波無依存の導波特性が得られるように設定されていることを特徴とする請求項6に記載の光波長分波器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、波長多重通信システム等に利用して好適な、偏波無依存で波長選択を行う光波長分波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、収容局設備から各ユーザー宅までのラストワンマイルにおいて、一般個人宅へ直接引き込む、ファイバー・トゥ・ザ・ホーム(FTTH: Fiber To The Home)と呼ばれるアクセス系光通信の網構成システムが実用化されている。FTTHシステムを採用するメリットの1つは、通信サービスと、映像配信サービスとを１本の光ファイバで提供できることにある。
【０００３】
通信サービスは、受動光ネットワーク(PON: Passive Optical Network)方式による、アクセス区間を１Gbit/sという超高速で通信するGE-PON(Gigabit Ethernet-PON)通信システムが主流となりつつある（ここで、「Ethernet」は登録商標である）。PON通信システムは、1つの局側に配置されるOLT(Optical Line Terminal)と複数の加入者側のそれぞれに配置されるONU(Optical Network Unit)を、光ファイバ及びスターカプラを介して接続し、OLTを複数のONUが共有する方式の通信システムである。GE-PON通信システムによれば、上りデータ信号に1310 nm、下りデータ信号に1490 nmの波長を割り当ててIP(Internet Protocol)データ通信を行うことで、インターネット接続サービス及びIP電話サービスを提供している。
【０００４】
一方、映像配信サービスについては、例えばCATV事業者の多くもFTTHシステムを採用しつつある。CATVなどによる映像配信サービスでは、1550 nmの波長帯域を使用して映像配信サービスが行われている。
【０００５】
FTTHシステムでは、映像配信サービスに割り当てられた1550 nmの波長帯域の信号光と、通信サービスに割り当てられた波長1310 nm及び1490 nmの信号光は、OLTで多重されて各ONUに配信される。そこで、FTTHシステムを利用する加入者宅に設置されるONUでは、1550 nmの波長帯域の信号光と、波長1310 nm及び1490 nmの信号光とを分離する光波長分波器が必要となる。この光波長分波器によって映像配信サービスに割り当てられた信号光と通信サービスに割り当てられた信号光とが分波される。
【０００６】
FTTHシステムのONU等で利用される、光波長分波器を構成する波長分波素子(例えば、波長分割多重(WDM：Wavelength Division Multiplexing)フィルタ)を形成するに当たっては、小型化と量産性に優れることから、シリコン系素材を導波路材料として用いる技術が注目されている。この技術によって形成される波長分波素子では、シリコン細線導波路が活用される。
【０００７】
シリコン細線導波路は、シリコンコアの周囲を、シリコンコアの屈折率より低い屈折率素材であるクラッドで覆った構造の導波路である。シリコン細線導波路は、シリコンコアとクラッドとの屈折率差を極めて大きく設定できるので、導波される光をコアに強く閉じ込めることが可能である。そのため、コアの寸法がサブミクロンの程度の微細な導波路を実現でき、形成されるWDMフィルタ等の波長分波素子を小型化できる。
【０００８】
シリコン細線導波路を使用して、様々な光波長分波器が実現されており、基本的な構造の光波長分波器は光の干渉現象を利用した干渉器型波長フィルタを複数備えている。干渉器型波長フィルタとして、例えば、マッハ・ツェンダ(MZI：Mach-Zehnder Interferometer) 型あるいは多モード干渉(MMI：Multimodal Interface)型等の光の干渉を利用して形成される波長分波素子が知られている（例えば、非特許文献1及び2、並びに特許文献1及び2を参照）。特に、MZI型の波長分波素子は、波長によって識別される2〜4チャンネル分の光信号を分波する素子として製品化されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−１９８９１４号公報
【特許文献２】特開２００３−１４９４７２号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Wim Bogaerts,, et. al,. “Silicon-on-Insulator Spectral Filters Fabricated With CMOS Technology ”IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.16, No.1. (2010)
【非特許文献２】Folkert Horst,. “Silicon Integrated Waveguide Devices for Filtering and Wavelength Demultiplexing”OFC/NFOEC 2010. paper OWJ3 2010年3月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
MZI型の波長分波素子は、方向性結合器を介してMZIを多段に接続し、目的とする波長分離特性を得る構成とするのが一般的である。しかしながら、方向性結合器は短波長の光ほど結合係数が小さく、また、最近のFTTHシステムに利用可能な程度の要求水準の波長選択性を確保するには、高い寸法精度を実現することが必要で、製造するには非常に高度な技術が要求される。
【００１２】
また、FTTHシステムでは、上述したように、映像配信サービスの映像信号は1550 nmの波長帯域、通信サービスでは上りデータ信号に1310 nm、下りデータ信号に1490 nmの波長が割り当てられている。しかしながら、これらの波長の間隔は、WDM波長グリッドのように、等間隔ではないので、AWG(arrayed waveguide grating)等の波長を等間隔に分離する素子では、これらの波長を分離することは難しい。更に、超高速で通信するGE-PON通信システムの利用を主目的とするONUであってもFTTHシステムに接続されている以上、OLTから送信される下りデータ信号には、映像信号の波長帯域である1550 nm帯域の波長成分が含まれている。GE-PON通信システム等の超高速通信サービスを良好な状態で利用できるようにするためには、OLTから送信された下りデータ信号から1550 nm帯域の波長成分を十分に除去する必要がある。
【００１３】
そこで、FTTHアクセス系光通信の網に設置されるONUにおいて、GE-PON方式等による超高速通信サービスに対する処理が信頼性を以って実行される程度に、1550 nm帯域の波長成分を十分に除去し、かつ波長が1490 nmである下りデータ信号を分離して取り出せる波長分波素子が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
そこで、この発明の発明者は、干渉器型の波長分波素子で1310 nmの波長を含む第1波長帯域と、1490 nm及び1550 nmの波長を含む第2波長帯域とに先ず大まかに分波し、第1波長帯域及び第2波長帯域の波長帯域のそれぞれから、波長特性が異なる複数の干渉器型波長フィルタを利用して、徐々に不要とする波長成分(ここでは主に波長1550 nmの光)を除去し、最終的にFTTHシステムに利用可能な程度に波長スペクトルが純化された波長の光(ここでは波長1310 nmと1490 nmの光)を個別に取り出すことが可能である波長分波素子が実現され得ることに思い至った。
【００１５】
また、光ファイバを伝播する信号光の偏波は定まっていないので、FTTHシステムで利用可能である光波長分波器には偏波無依存で動作可能であることも求められる。この発明の発明者は、光波長分波器が偏波無依存で動作可能なように、光波長分波器を構成する導波路の断面形状を決定できることもシミュレーションによって確認できた。
【００１６】
そこで、この発明の目的は、素子形成に高い寸法が要求されず、分波すべき複数の波長の間隔が等間隔でなくとも、偏波無依存で波長分離が可能である光波長分波器を提供することにある。特に、FTTHアクセス系光通信の網に設置されるONUに備えて好適なように、1550 nm帯域の波長成分を十分に除去し、超高速通信サービスに対する処理が信頼性を以って実行される程度に波長が1490 nmである下りデータ信号を分離して取り出せる光波長分波素子を提供することにある。
【００１７】
この発明の要旨によれば、上述の目的を達成するため、光波長分波器は、以下の特徴を具えている。
【００１８】
この発明の光の干渉現象を利用した干渉器型素子である光波長分波器の基本構成は、波長分波素子と、第1波長フィルタと、第2波長フィルタを備えている。
【００１９】
波長分波素子は、入力光を異なる波長帯域である第1波長帯域と第2波長帯域とに分岐して、第1波長帯域の波長成分と第2波長帯域の波長成分を別々の出力ポートから出力する。波長分波素子の一方の出力ポートには、この出力ポートから出力される第1波長帯域から所定の波長成分を選択し、選択する波長成分以外を除去する第1波長フィルタが接続され、波長分波素子の他方の出力ポートには、この出力ポートから出力される第2波長帯域から所定の波長成分を選択し、選択する波長成分以外を除去する第2波長フィルタが接続されている。
【００２０】
第1波長フィルタ及び第2波長フィルタは、波長分波素子の後段に、第1及び第2波長帯域のそれぞれから、選択すべき出力光を十分な波長スペクトル純度で出力させるために必要とされる段数のカスケード接続がなされている。
【００２１】
例えば、第1波長フィルタ及び第2波長フィルタのいずれか一方または双方は、複数のサブ波長フィルタを直列に接続して構成する。
【００２２】
あるいは、第1波長フィルタを、第1波長帯域から選択すべき出力光を十分な波長スペクトル純度で出力させるために必要な段数のサブ波長フィルタをカスケード接続して構成し、第2波長フィルタを、第2波長帯域から選択すべき出力光を十分な波長スペクトル純度で出力させるために必要な段数のサブ波長フィルタをカスケード接続して構成する。
【００２３】
特に、この発明の光波長分波器の実施形態の一例として、FTTHアクセス系光通信の網に設置されるONUが備えて好適なものとするには、以下のように構成すればよい。
【００２４】
波長分波素子を、1310 nm近傍で1310 nmより短波長側のλ1と長波長側のλ2を含む第1波長帯域と、1490 nmの波長λ3と1550 nmの波長λ4を含む第2波長帯域とに分岐して、第1波長帯域の波長成分と第2波長帯域の波長成分を別々の出力ポートから出力することが可能なように設計する。
【００２５】
波長分波素子の第1波長帯域の波長成分を出力する一方の出力ポートに接続する第1波長フィルタは、1550 nmの波長λ4を除去し、波長λ1と波長λ2の中間の波長である1310 nmの波長の光を透過させることが可能なように設計する。
【００２６】
また、波長分波素子の第2波長帯域の波長成分を出力する他方の出力ポートには、第2波長帯域から選択すべき出力光を十分な波長スペクトル純度で出力させるため、サブ波長フィルタである第2波長フィルタ第1と、サブ波長フィルタである第2波長フィルタ第2とを、第1第2の順で直列に接続して構成する。第2波長フィルタ第1は、1310 nmより長波長側のλ2を除去し1490 nmの波長λ3を透過させることが可能なように設計し、この第2波長フィルタ第1の後段に接続する第2波長フィルタ第2は、1550 nmの波長λ4を除去し1490 nmの波長λ3を透過させることが可能なように設計する。
【発明の効果】
【００２７】
この発明の光波長分波器の基本構成によれば、波長分波素子によって、第1波長帯域と第2波長帯域とに分岐される。この分岐においては、第1波長帯域と第2波長帯域とに、最終的に取り出す波長スペクトルが純化された波長の光を含んでいればよく、両波長帯域は十分に広い波長成分を含んでいてもよい。したがって、波長分波素子は、あまり高い寸法精度で形成する必要はない。
【００２８】
また、波長分波素子の一方の出力ポートには、最終的に取り出す波長スペクトルが純化された波長の一方の光のみが含まれるように透過波長帯域が設定された1つの第1波長フィルタが接続されている。あるいは、この出力ポートに、透過波長帯域が異なる複数の第1波長フィルタを直列に接合させて、それぞれの透過波長帯域を違え、かつこれらの複数の第1波長フィルタのそれぞれの透過波長帯域の共通する波長帯域が、最終的に取り出す波長スペクトルが純化された波長の一方の光のみが含まれるように設定されている。
【００２９】
同様に、波長分波素子の他方の出力ポートにも、最終的に取り出す波長スペクトルが純化された波長の一方の光のみが含まれるように、透過波長帯域が設定された1つの第2波長フィルタ、あるいは透過波長帯域が異なる複数の第2波長フィルタが直列に接合されている。
【００３０】
このような構成とすれば、個々の第1及び第2波長帯域用フィルタについては、それぞれの透過する波長帯域を、狭く、しかも正確な波長位置となるように、高い寸法精度を以って形成する必要はない。また、選択すべき複数の波長の間隔が等間隔でなくとも、波長分波素子並びに第1及び第2波長フィルタの透過波長帯域は、高い寸法精度を以って形成しなくとも、容易に設定できる。
【００３１】
また、波長分波素子及び第1波長フィルタと、第2波長フィルタを構成する導波路の断面形状を、光波長分波器が偏波無依存で動作可能なように、シミュレーションによって確定させることによって、偏波無依存で動作可能な光波長分波器が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】光波長分波器の概略的基本構成の一例を示すブロック構成図である。
【図２】方向性結合器を備えたMZI型光波長分波器の概略的構成を示すブロック構成図である。
【図３】MMI型光波長分波器の概略的構成を示すブロック構成図である。
【図４】光波長分波器の動作についての説明に供する図である。
【図５】MZI型及びMMI型光波長分波器の出力ポートを定義するための図である。
【図６】MZI型光波長分波器に対する波長選択特性について説明する図であり、(A)は有限要素法によってシミュレーションした結果を示す図であり、(B)は実験結果を示す図である。
【図７】MMI型光波長分波器に対する波長選択特性について、FDTDによってシミュレーションした結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図を参照して、この発明の実施形態につき説明する。なお、光波長分波器の概略的基本構成のブロック構成図である図1、並びにMZI及びMMI型のこの発明の光波長分波器の概略的構成を示す図2及び図3は、この発明の実施形態に係る一構成例を示すものであり、この発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の構成素材及び設計条件等を用いることがあるが、これら構成素材及び設計条件等は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。
【００３４】
＜光波長分波器の基本構成＞
図1を参照して、この発明の光波長分波器の基本構成について説明する。光波長分波器は、波長分波素子10と、第1波長フィルタ12と、第2波長フィルタ14及び16を備えている。そして、これらのそれぞれは、光の干渉現象を利用した干渉器型素子である。干渉器型素子とは、詳細は後述するが、方向性結合器を備えたMZI、あるいはMMIである。
【００３５】
図1には、第1波長フィルタとして1つの第1波長フィルタ12が用いられ、第2波長フィルタとして、第2波長フィルタ(第1)14と第2波長フィルタ(第2)16の2つのサブ波長フィルタが用いられた光波長分波器の一例が示されている。第1波長フィルタ12として複数のサブ波長フィルタを用いてもよい。同様に第2波長フィルタについても、2つに限らず、1つあるいは3つ以上のサブ波長フィルタを利用する構成としてもよい。
【００３６】
波長分波素子10は、入力光9を第1波長帯域の波長成分10Aと第2波長帯域の波長成分10Bとに分岐し、一方の出力ポートから第1波長帯域の波長成分10Aを出力し、他方の出力ポートから第2波長帯域の波長成分10Bを出力する。
【００３７】
第1波長フィルタ12は、第1波長帯域の波長成分10Aから選択する波長成分以外を除去し、選択する波長成分12Aを選択して出力させる。また、第2波長フィルタは、第2波長帯域の波長成分10Bから、第2波長フィルタ(第1)14と第2波長フィルタ(第2)16が、協働して選択する波長成分以外を除去し、選択する波長成分を選択して出力させる。
【００３８】
そして、第1波長帯域用の干渉器型波長フィルタである第1波長フィルタ12、並びに、第2波長帯域用の干渉器型波長フィルタである第2波長フィルタ(第1)14と第2波長フィルタ(第2)16の透過波長スペクトル特性は、それぞれ異なっている。
【００３９】
第1波長フィルタ12からは、十分な波長スペクトル純度の一方の選択光である選択波長成分12Aが出力される。また、第2波長フィルタ(第1)14から選択波長成分14Bが出力されて、第2波長フィルタ(第2)16へ入力され、第2波長フィルタ(第2)16からは、十分な波長スペクトル純度の他方の選択光である選択波長成分16Bが出力される。選択波長成分16Bは、第2波長フィルタ(第1)14の透過波長帯域と第2波長フィルタ(第2)16の透過波長帯域の共通する波長帯域に含まれた波長成分である。選択波長成分16Bは、第2波長フィルタを2段の接続構成とすることによって、十分とされる波長スペクトル純度で抽出されたものである。
【００４０】
図1に示す光波長分波器を、現行のFTTHアクセス系光通信の網構成システムのONUにおいてWDMフィルタの形態で利用する場合を想定すると、以下のようになる。
【００４１】
入力光9はOLTから送信される下り信号であるが、ONUからOLTに向けて送られる上り信号の1310 nm光は、ONUからOLTに至る光伝送路の途中に設けられる光コネクタ等から反射されて入力光9に混ざっている。この入力光9に混ざった1310 nm光は、ONUのWDMフィルタで-23dB以下に排除する必要がある。一方、映像信号の波長帯域である1550 nm帯域の波長成分は、このWDMフィルタに入力される前に既にこのWDMフィルタの前段でブロックされる構成とされる形態が一般的であるが、下りデータ信号の光搬送波の波長1490 nmの光信号をGE-PON通信システム等の超高速通信サービスを良好な状態で利用できるようにするためには、1550 nm帯域の波長成分を-27dB以下に排除する必要がある。波長1490 nmの光信号をこのような純度の波長スペクトルとなるように抽出するには、1550 nm帯域の波長成分をWDMフィルタの前段でブロックするだけでは十分でなく、更にこの発明の光波長分波器によって十分に除去する必要がある。
【００４２】
波長分波素子10は、1310 nm近傍で1310 nmより短波長側の第1の波長λ1と長波長側の第2の波長λ2を含む第1波長帯域(波長成分10A)と、1490 nmの波長λ3と1550 nmの波長λ4を含む第2波長帯域(波長成分10B)とに分岐して別々の出力ポートから出力する。
【００４３】
第1波長フィルタ12は、1550 nmの波長λ4を除去し、波長λ1と波長λ2の中間の波長である1310 nmの波長の光を透過させる。これによって、下りデータ信号の1490 nmと映像配信サービスの映像信号の1550 nmを、上りデータ信号の1310 nmから完全に分離して選択される。一方、第2波長フィルタ(第1)14は第2の波長λ2を除去し1490 nmの波長λ3を透過させ、第2波長フィルタ(第2)16は1550 nmの波長λ4を除去し1490 nmの波長λ3を透過させる。これによって、データ信号の1490 nmと映像配信サービスの映像信号の1550 nmは近い関係にあるが、1550 nmの波長λ4を除去し、十分な波長スペクトル純度を以って下りデータ信号の1490 nmを完全に分離して選択される。
【００４４】
このように、波長分波素子10と、第1及び第2波長フィルタとを上述のようにカスケード接続構成とすることによって、1550 nmの波長成分を含み、1310nm光と1490 nm光が多重された入力光から、1550 nmの波長成分を完全に取り除いて、1490 nm光を十分な波長スペクトル純度を以って選択して抽出できる光波長分波器を実現することが可能となる。
【００４５】
以上説明したように、この発明の光波長分波器によれば、第1波長フィルタ12からは、1310 nm光が十分な波長スペクトル純度を以って出力される。これは、第1波長フィルタ12の出力ポートから、逆方向に向かって1310 nmの上り信号光を入力すれば、光波長分波器を入力光9とは逆の方向に進み、波長分波素子10の入力ポートから出力されることも意味している。すなわち、この発明の光波長分波器は、1310 nmの上り信号光をOLTに向けて送信し、OLTから送信される1490 nmの下り信号光を受信する通信形態であるGE-PONシステムにおいて、ONUに設置して好適であることが分かる。
【００４６】
なお、この発明の光波長分波器は、波長分波素子、第1波長フィルタ、第2波長フィルタを、MZI型干渉器、あるいはMMI型干渉器によって形成することができる。以下、MZI型干渉器を利用する実施形態、及びMMI型干渉器を利用する実施形態について説明する。
【００４７】
＜MZI型光波長分波器＞
図2を参照して、方向性結合器を備えたMZI型光波長分波器について説明する。このMZI型光波長分波器は、波長分波素子10としてMZI型波長分波素子110、第1波長フィルタ12としてMZI型波長フィルタ112、第2波長フィルタ(第1)としてMZI型波長フィルタ114、第2波長フィルタ(第2)としてMZI型波長フィルタ116、を備えて構成されている。
【００４８】
図2において、MZI型波長分波素子110について拡大してその詳細を示してあるが、MZI型波長フィルタ112、114、116についても、それぞれの構成部分の寸法が異なるだけで、同様の構成である。ここでは、MZI型波長分波素子110を取り上げてその詳細な構成を説明するが、MZI型波長フィルタ112、114、116についても、その構成に対する技術的思想は共通である。
【００４９】
以下、このMZI型光波長分波器は、上述の1550 nmの波長成分を含み、1310nm光と1490 nm光が多重された入力光から、1550 nmの波長成分を完全に取り除いて、1490 nm光を十分な波長スペクトル純度を以って選択して抽出できるように、諸条件が設定されているとして、説明する。したがって、MZI型波長フィルタ112は、1550 nmの波長λ4を除去し、第1の波長λ1と第2の波長λ2の中間の波長である1310 nmの波長の光を透過させる。MZI型波長フィルタ114は、第2の波長λ2を除去し1490 nmの波長λ3を透過させ、MZI型波長フィルタ116は、1550 nmの波長λ4を除去し1490 nmの波長λ3を透過させる。
【００５０】
MZI型波長分波素子110は、方向性結合器31a及び31bと、干渉器導波路(32a,32b,33a,33b)を備えて構成されている。
【００５１】
光導波路の導波特性を偏波無依存とするには、基本的に導波路の断面形状を正方形とすればよい。しかしながら、平行に近接して2本の導波路を併置して形成される方向性結合器では、それぞれの導波路の断面形状を正方形にすると、方向性結合器そのものの動作を偏波無依存とすることはできない。そこで、この発明の発明者は、分岐特性がTE波及びTM波に対して同一となる偏波無依存動作が実現されるように2本の導波路の断面形状をどのようにしたらよいかをシミュレーションによって見出した。その結果、導波路の断面形状を長方形としてその縦横比を適切に設定することによって偏波無依存動作が実現されることを見出した。
【００５２】
以下に説明するMZI型波長分波素子110、MZI型波長フィルタ112、114、116において利用される方向性結合器は、この方向性結合器を形成する2本の導波路の断面形状は長方形であり、シミュレーションによって見出された偏波無依存動作が実現される条件でその縦横比が設定されている。また、MZI型波長分波素子110、MZI型波長フィルタ112、114、116のそれぞれにおいて、方向性結合器の結合長は、それぞれにおいて分岐される波長に対応させて、それぞれ設定されている。
【００５３】
また、MZI型波長分波素子110及びMZI型波長フィルタ112、114、116において、光の干渉の現象を発現させるための2光路に含まれる干渉器導波路(32a,32b,33a,33b)について、偏波無依存動作を実現するために、干渉器導波路32a及び32bの導波路幅と干渉器導波路33a及び33bの導波路幅とを違えてある。具体的には、干渉器導波路32a及び32bの導波路幅は400 nm、干渉器導波路33a及び33bの導波路幅は500 nmであり、導波路の厚みは共通して300 nmである。
【００５４】
一方、方向性結合器31a及び31bの導波路幅は285 nmとすることで、偏波無依存動作が実現された。すなわち、方向性結合器31a及び31bの断面形状は、縦横比が285：300の長方形である。また、方向性結合器31a及び31bを構成する2本の平行導波路の中心間距離は、650 nmである。これらの寸法値は、シミュレーションによって見出された値である。
【００５５】
方向性結合器31a及び31b、干渉器導波路32a及び32b、及び干渉器導波路33a及び33bの導波路幅と、これらをつなぐ導波路(図2で実線で示してある導波路)幅とが異なるので、このまま接続すると接続部で導波光が散乱されて損失となる。そこで、導波路幅の異なる接続部分にテーパ部34を設けてある。ただし、テーパ部34を設けることによって、この部分で新たな位相遅延が生じるので、これらのテーパ部34の形状は等しくする必要がある。したがって、テーパ部34を設けることによって導波路幅を完全に等しくして接合することはできず段差が生じるが、テーパ部34が無い場合に比して導波路幅の差を小さくでき、それだけ損失を小さくすることができる。それぞれの幅(400、500 nm)に対応したテーパ部34を設けても良いがテーパ部の数が倍になる。
【００５６】
＜MMI型光波長分波器＞
図3を参照して、MMI型光波長分波器について説明する。このMMI型光波長分波器は、波長分波素子10としてMMI型波長分波素子210、第1波長フィルタ12としてMMI型波長フィルタ212、第2波長フィルタ(第1)としてMMI型波長フィルタ214、第2波長フィルタ(第2)としてMMI型波長フィルタ216、を備えて構成されている。
【００５７】
MMI型波長分波素子210、MMI型波長フィルタ212、214、216は、MMI型導波路の光の干渉を利用して形成される光波長分波素子であり、それぞれの構成部分の寸法が異なるだけであり、その構成に対する技術的思想は共通である。
【００５８】
MMI型光波長分波器についても同様に、上述の1550 nmの波長成分を含み、1310nm光と1490 nm光が多重された入力光から、1550 nmの波長成分を完全に取り除いて、1490 nm光を十分な波長スペクトル純度を以って選択して抽出できるように、諸条件が設定されているとして、以下説明する。したがって、MMI型波長フィルタ212は、1550 nmの波長λ4を除去し、第1の波長λ1と第2の波長λ2の中間の波長である1310 nmの波長の光を透過させる。MMI型波長フィルタ214は、第2の波長λ2を除去し1490 nmの波長λ3を透過させ、MMI型波長フィルタ216は、1550 nmの波長λ4を除去し1490 nmの波長λ3を透過させる。
【００５９】
MMI型波長分波素子210は、長方形の主MMI導波路41を中心として、この主MMI導波路41の前段に入力ポートを形成するテーパ導波路45が設けられ、後段に導波路幅調整用のテーパ導波路42、接続用導波路43及び、出力ポートを形成するテーパ導波路44a、44bが設けられて形成されている。
【００６０】
主MMI導波路41の前段に形成されるテーパ導波路45は、0次伝搬モードの入力光を、主MMI導波路41に入力させて、主MMI導波路41において、0次及び1次伝搬モードだけが励起されるように、入力光の伝搬モードを調整して主MMI導波路41に入力させる働きをする。
【００６１】
MMI型波長分波素子210の分岐特性、及びMMI型波長フィルタ212、214、216の波長選択特性が、TE波及びTM波に対して同一となる偏波無依存となるように、MMI型波長分波素子210を構成する主MMI導波路41の幅を1.65μm、MMI型波長フィルタ212、214、216を構成する主MMI導波路の幅を1.85μm、1.65μm、1.65μm、に設定してある。導波路の厚みは共通して300 nmである。
【００６２】
また、MMI型波長分波素子210、MMI型波長フィルタ212、214、216を構成する、それぞれの導波路幅調整用のテーパ導波路42、接続用導波路43及び、出力ポートを形成するテーパ導波路44a、44b、入力ポートを形成するテーパ導波路45の寸法も、偏波無依存動作が実現されるように設定されている。これらの寸法値は、シミュレーションによって見出した。
【００６３】
＜光波長分波器の動作＞
図4を参照して、上述した光波長分波器の動作について、具体的に説明する。図4(A-1)〜(A-3)は、入力光9が、波長分波素子10、第1波長フィルタ12を通過するごとに透過される透過光の波長スペクトルの説明に供する図であり、図4(B-1)〜(B-4)は、波長分波素子10、第2波長フィルタ14及び16を通過するごとに透過される透過光の波長スペクトルの説明に供する図である。
【００６４】
波長分波素子10から出力される第1波長帯域(波長成分10A)は、図4(A-1)に示すように1310 nm近傍で1310 nmより短波長側の第1の波長λ1と長波長側の第2の波長λ2を含み、1490 nmの波長λ3は除去されている。第1波長フィルタ12の透過波長スペクトルは、図4(A-2)に示すように1550 nmの波長λ4が排除され1310 nm近傍の波長λ1とλ2が透過される特性となっている。
【００６５】
このように、入力光9が波長分波素子10及び第1波長フィルタ12を通過することによって、図4(A-3)に示す波長スペクトルを有する出力が得られる。すなわち、第1波長フィルタ12によって、波長λ4が完全に排除され1310 nmの波長の光が選択すべき出力光(1310 nmの波長の光)が十分とされる波長スペクトル純度で出力されている。
【００６６】
一方、波長分波素子10から出力される第2波長帯域(波長成分10B)は、図4(B-1)に示すように1490 nmの波長λ3と1550 nmの波長λ4を含み、1310 nm近傍で1310 nmより短波長側のλ1が排除されている。第2波長フィルタ(第1)14の透過波長スペクトル特性は、図4(B-2)に示すように第2の波長λ2を除去し、1490 nmの波長λ3及び1550 nmの波長λ4を透過させる特性を有している。第2波長フィルタ(第2)16の透過波長スペクトル特性は、図4(B-3)に示すように、透過波長と排除波長が細かく入り組んだ特性となっているが、1490 nmの波長λ3が透過波長として選択できる機能を有していることが重要である。このように、第2波長帯域(波長成分10B)が、第2波長フィルタ(第1)14、第2波長フィルタ(第2)16と順次通過することによって、図4(B-4)に示すように、1550 nmの波長λ4が完全に排除されて、1490 nmの波長λ3が選択すべき出力光として十分とされる波長スペクトル純度で出力されている。
【００６７】
以上具体的に説明したように、素子形成に高い寸法が要求されず、分波すべき複数の波長の間隔が等間隔でなくとも波長分離が可能であって、第2波長帯域に1550 nmの波長成分が多少なりとも含まれていても、1550 nmの波長成分を完全に取り除いて、1490 nm光を十分な波長スペクトル純度を以って選択して抽出できる光波長分波器を実現することが可能となることが明らかとなった。
【００６８】
＜数値シミュレーション及び実験結果＞
ここで、波長分波素子10、第1波長フィルタ12、第2波長フィルタ(第1)14、第2波長フィルタ(第2)16を備えるこの発明の波長分波器が、上述したような所定の波長分岐、波長選択特性が得られることを、数値シミュレーション及び実験によって確かめたので、以下に説明する。
【００６９】
以下、図5に示すように、入力ポートから入力された入力光9が選択されて、入力ポートと対称の位置の出力ポート(この場合は上側の出力ポート)をBar出力ポート、反対称の位置の出力ポート(この場合は下側の出力ポート)をCross出力ポートと定義する。すなわち、Bar出力ポートは、第1波長フィルタ12の選択波長成分12Aを出力する出力ポートを示し、Cross出力ポートは、第2波長フィルタ(第2)16の選択波長成分16Bを出力する出力ポートを示す。
【００７０】
図6(A)及び(B)に、MZI型光波長分波器に対する波長選択特性について、有限要素法(FEM: Finite Element Method)によってシミュレーションした結果(図A)と、実験結果(図B)を示す。図6(A)及び(B)の横軸は、波長をμm単位で目盛って示してあり、縦軸は透過光量をdBで目盛って示してある。
【００７１】
図6(A)にはTE成分について示しているが、TM成分に対しても同様である。図6(A)に示すように、Cross出力ポートからは1490 nmの波長λ3が選択されて出力されており、Bar出力ポートからは1490 nmの波長が排除されていることが分かる。
【００７２】
図6(B)には、TE成分及びTM成分の両方に対して、Bar出力ポートとCross出力ポートのそれぞれからの出力光の波長スペクトルを示している。図6(B)では、1.35μmから1.41μmの範囲についてのデータが欠損している。これは、実験において短波長光源と長波長光源の両方を用いることによって、測定波長範囲を1.2μm〜1.6μmの範囲をカバーできるように配慮したが、両光源ともこの欠損している波長範囲の光強度が弱くデータの取得に至らなかったものである。しかしながら、図6(B)によって、Bar出力ポートからは1490 nmの波長λ3が選択されて出力されており、Bar出力ポートとCross出力ポートのそれぞれから出力されるTE成分及びTM成分が、ポートごとに似通っていることから、このMZI型素子は偏波無依存が実現されていることが分かる。
【００７３】
図7にMMI型光波長分波器に対する波長選択特性について、FDTD（Finite-difference time-domain method）によってシミュレーションした結果を示す。図7の横軸は、波長をμm単位で目盛って示してあり、縦軸は透過光量をdBで目盛って示してある。
【００７４】
MMI型素子も、図7に示すように、Cross出力ポートからはTE成分及びTM成分の両方に対して1490 nmの波長が選択されて出力されており、Bar出力ポートからはTE成分及びTM成分の両方に対して1490 nmの波長が排除されて出力されていることが分かる。すなわち、Bar出力ポートから出力光のTE成分及びTM成分の両方に対してその波長スペクトル特性は似通っており、また、Cross出力ポートから出力光のTE成分及びTM成分の両方に対してその波長スペクトル特性は似通っていることから、偏波無依存が実現可能であることを示している。
【００７５】
＜光波長分波器の製造方法＞
図2及び図3に示した光波長分波器を構成する、波長分波素子10、第1波長フィルタ12、第2波長フィルタ(第1)14、第2波長フィルタ(第2)16から成る導波路パターン構造体は、例えば、SOI(Silicon on Insulator)基板を入手して、以下の工程によって形成できる。SOI基板は、広く市販品として入手可能であり、シリコン基板に酸化シリコン層、及びこの酸化シリコン層上に導波路の厚みの寸法に等しい厚みのシリコン層が形成されている。
【００７６】
SOI基板の酸化シリコン層上に形成されているシリコン層に対して、上述の導波路パターン構造体を残してドライエッチングを行い、他の部分のシリコン層を取り除く。ドライエッチング工程に続き、エッチング処理で残された導波路パターンを導波構造のコアとして取り囲む酸化シリコン層を化学気相成長(CVD: Chemical Vapor Deposition)法等によって形成する。そして、酸化シリコン層の上面が平坦になるように研磨し、この酸化シリコン層を上部クラッド層として形成する。
【００７７】
クラッド層となる、導波路パターンを導波路構造のコアとして取り囲む酸化シリコン層は、SOI基板入手時にシリコン基板に既に形成されている酸化シリコン層を下部クラッド層とし、コアを形成した後にCVD法で形成される酸化シリコン層を上部クラッド層として構成される。
【００７８】
このように、この発明の光波長分波器を構成する導波路パターン構造体は、SOI基板を用いて周知のエッチング処理、CVD法等によって形成することが可能であるので、量産性に優れ低コストで簡便に形成することが可能である。
【符号の説明】
【００７９】
10：波長分波素子
12：第1波長フィルタ
14：第2波長フィルタ（第1）
16：第2波長フィルタ（第2）
31a、31b：方向性結合器
32a、32b、33a、33b：干渉器導波路
41：主MMI導波路
42：導波路幅調整用のテーパ導波路
43：接続用導波路
44a、44b：出力ポートを形成するテーパ導波路
45：入力ポートを形成するテーパ導波路
110：MZI型波長分波素子
112、114、116：MZI型波長フィルタ
210：MMI型波長分波素子
212、214、216：MMI型波長フィルタ 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図６】
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