(57)【要約】【課題】光波の選択的分波と合波を効率良く行うこと、その装置を容易に製造ずきるようにすること。【解決手段】第１光伝送路１４と他の光伝送路１６とを所定区間Ａにおいて接近させて同方向に光結合させ、第１光伝送路１４を伝搬する所定の第１波長λ1 の光波を、他の光伝送路１６に波長選択に分波又は合波させる光分波／合波装置において、所定区間Ａにおいて、少なくとも同方向の結合に係る光伝送路部分の誘電率を、第１波長λ1 の光波の伝搬方向に対して周期的に変化させたことを特徴とする光分波／合波装置である。【選択図】  図１
2005250291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光伝送路と他の光伝送路とを所定区間において接近させて同方向に光結合させ、第１光伝送路を伝搬する所定の第１波長の光波を、他の光伝送路に波長選択に分波又は合波させる光分波／合波装置において、
前記所定区間において、少なくとも同方向の結合に係る光伝送路部分の誘電率を、前記第１波長の光波の伝搬方向に対して周期的に変化させたことを特徴とする光分波／合波装置。
【請求項２】
前記誘電率の変化の周期は、誘電率を変化させた後において前記第１光伝送路と光分波される光伝送路とにおける前記第１波長の光波の伝搬定数の差が零となるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の光分波／合波装置。
【請求項３】
前記第１波長は、１．５５μｍと、前記第１光伝送路には、波長１．４９μｍと波長１．３１μｍの波長の光波が、それぞれ、反対方向に伝搬されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光分波／合波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光分波／合波装置に関する。特に、製造を容易にして均質な性能の得られる構造の光分波／合波装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光伝送路を伝搬する異なる波長を有した複数の光波のうち、選択的に特定の波長の光波を同方向に分波又は合波する高性能な光分波／合波装置の実現が要請されている。  例えば、ＣＡＴＶネットワークにおいては、１．５５μｍの波長の光波を放送用の下り搬送波とし、波長１．４９μｍの光波をデータ通信用の下り搬送波とし、波長１．３１μｍの波長の光波をデータ通信用の上り搬送波として、それらの光波を１本の光ファイバーで伝送させる波長多重伝送方式が提案されている。また、ＰＯＮシステムにおいては、集線局と加入者宅内を結ぶ光伝送路にパッシブダブルスター等の方式を適用し、１芯双方向通信が提案されている。
【０００３】
この伝送方式を実現するためには、１．５５μｍの波長の光波のみを選択的に同方向に効率良く光分波することが必要である。この光分波を行う装置として、図７に示すように、２本の光伝送路を部分的に接近させて、同方向に光結合させる装置が知られている。同装置は、第１光伝送路２１０を伝搬する光のうち特定波長λ1 の光波だけを、光結合区間Ａから第２光伝送路２２０に分波させる装置である。
【０００４】
また、この光分波装置の欠点を改良するために、下記特許文献１の技術が知られている。その特許文献１による光分波装置は、図８に示すように構成されている。第１光伝送路１００と第２光伝送路１１０とを区間Ａにおいて接近させて、特定波長の光波に対する光結合を実現している。特許文献１の特徴は、光結合区間Ａを２分して、その２つの区間において、区間の中点を中心として、その区間の伝搬定数差を、点対称に設定したことが特徴である。すなわち、第１光伝送路１００の上流側の部分１２０の特定波長の光波の伝搬定数を、第２光伝送路１１０の対応する部分１２２の伝搬定数よりも２Δ（λ）だけ大きくしている。逆に、第２光伝送路１１０の下流側の部分１３２の特定波長の光波の伝搬定数を、第１光伝送路１００の対応する部分１３０の伝搬定数よりも２Δ（λ）だけ大きくしている。
【０００５】
【特許文献１】特許第３０２７９６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
まず、第２光伝送路の伝搬定数をβ2 、第１光伝送路の伝搬定数をβ1 とするとき、δ＝（β2 −β1 ）／２とする。また、光伝送路間の結合係数をχとする。もちろん、これらの値は波長特性を有している。また、以下の説明では、（β2 −β1 ）を伝搬定数差（２δ）という。
【０００７】
図７に示す従来技術は、最大の分波比を得るためには、特定波長λ1 においてのみ、δ／χを零として、通過帯波長に対しては、逆に、δ／χが大きい方が望ましい。通常、この両者の要請を満たすためには、伝搬定数の分散特性の差を利用しているが、この設計が難しいという問題がある。また、特定波長において最大分波比を得るには、伝搬定数差２δを零にして、結合区間Ａの長さを、最小の場合で、結合長Ｌc ＝π／（２χ）に正確に設定する必要があった。この長さの設定に誤差があると、誤差の余弦の２乗に比例して分波特性が劣化するという問題があった。
【０００８】
また、通過帯波長の設計においても、伝搬定数差２δを零として、結合係数χの波長特性だけを用いるとすると、透過波長の選択性が急峻となりすぎて、複数の波長を透過させることが困難となるという問題があった。すなわち、伝搬定数差δと結合係数χに関する透過特性において、伝搬定数差２δを零とすると、最大透過率を得る結合係数χは、結合係数χに関する微分係数が最大となる点での値であるので、透過波長の選択性が最も急峻となる点で、光分波装置が設計されることになる。
【０００９】
この問題を解決するのが、特許文献１の技術である。特許文献１の技術は、結合区間を前半部分と後半部分とに２分し、２分されたそれぞれの光結合区間において、分波すべき特定波長について伝搬定数に差を持たせることで、特定波長で最大分波比を得ると共に、透過波長帯域を広くさせている。
【００１０】
しかしながら、特許文献１の技術は、通過波長帯における選択性が改善されるものの、伝搬定数差δが零となるところを用いていないので、分波すべき特定波長における分波比が低下するという問題がある。
【００１１】
本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、容易に、最大分波比／最大合波比が得られるようにすることで、光分波／合波装置の特性を改善することである。
また、他の目的は、性能の良い光分波／合波装置の製造を容易にすることである。
また、他の目的は、光集積回路に適した光分波／合波装置を提供することである。
これらの目的は、それぞれの発明が解決するための目的であって、ある発明が全ての目的を達成すべきものとして解釈されるべきではない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明は、第１光伝送路と他の光伝送路とを所定区間において接近させて同方向に光結合させ、第１光伝送路を伝搬する所定の第１波長の光波を、他の光伝送路に波長選択に分波又は合波させる光分波／合波装置において、所定区間において、少なくとも同方向の結合に係る光伝送路部分の誘電率を、第１波長の光波の伝搬方向に対して周期的に変化させたことを特徴とする光分波／合波装置である。
【００１３】
ここに、分波、合波の数は１又は２以上、任意である。すなわち、他の光伝送路は１個でも、２個以上でも良い。誘電率を周期的に変化させるには、誘電率が周期的に変化するように新たな材料を所定区間に堆積させても良い。また、光伝送路にスリットを周期的に形成することで、誘電率を周期的に変化させても良い。さらに、光伝送路を形成する工程において不純物を周期的に添加して誘電率を周期的に変化させても良い。周期的に誘電率を変化させる領域は、光結合を生じる部分であれば任意である。例えば、第１光伝送路のコアだけに形成すること、他の光伝送路のコアだけに形成すること、第１光伝送路のクラッドだけに形成すること、他の光伝送路のクラッドだけに形成すること、第１光伝送路と他の光伝送路との間に形成すること、所定区間の全領域に渡って形成することなど、任意である。要は、伝搬する光波と分波された光波とが誘電率により変調を受けるような光結合領域であれば、形成領域や形成方法は任意である。誘電率の変化は材質の変化、不純物の添加によるもの、形状の変化によるものなど任意である。
また、誘電率の変化は媒質の誘電率自体の変化であっても、等価屈折率によって決定される等価誘電率の変化であっても良い。
同方向に光結合させるためには、理想的には、誘電率を変化させた後において第１光伝送路と光分波される光伝送路とにおける第１波長の光波の伝搬定数の差が零となるように誘電率の変化の周期を設定することである。したがって、同方向に光結合させる場合には、誘電率の変化の周期は、分波すべき波長に比べて充分に長くなる。周期が波長程度になると逆方向結合となる。
【００１４】
本発明の特徴は、光結合を生じさせる所定区間において、少なくとも同方向の結合に係る光伝送路部分の誘電率を、第１波長の光波の伝搬方向に対して周期的に変化させたことである。すなわち、この所定区間に同方向に第１波長の分波比を向上させるために、伝搬定数差δの調整の容易な光格子を設けたことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項２の発明は、誘電率の変化の周期は、誘電率を変化させた後において第１光伝送路と光分波される光伝送路とにおける第１波長の光波の伝搬定数の差が零となるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の光分波／合波装置である。
【００１６】
また、請求項３の発明は、第１波長は、１．５５μｍと、第１光伝送路には、波長１．４９μｍと波長１．３１μｍの波長の光波が、それぞれ、反対方向に伝搬されていることを特徴とする請求項１に記載の光分波／合波装置である。この構成により、放送と双方向のデータ通信を可能とするＣＡＴＶ伝送が実現可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、光結合を生じる所定区間において、少なくとも同方向の結合に係る光伝送路部分の誘電率を、第１波長の光波の伝搬方向に対して周期的に変化させたものである。この誘電率の変化の周期を調整することで、所定区間における第１光伝送路と光分波された光波が伝搬する他の光伝送路における伝搬定数の差を制御することが可能となる。よって、この周期の調整により第１波長の光波に対して最大分波比を得ることができるので、光分波／合波装置の性能を向上させることができる。また、従来は、最大性能を得るには、第１波長の光波において伝搬定数差δが零となり、透過波長帯に対しては伝搬定数差δが大きくなるか、結合係数χが小さくなるように、各光伝送路の材質や寸法などを選択する必要があった。しかし、本発明によると、製造時に、分波すべき第１波長に関してこの誘電率を周期的に変化させることは容易であるので、性能の高い光分波／合波装置を容易に得ることができる。例えば、誘電率を周期的に変化させる前の光伝送路において、透過波長帯の透過特性を考慮して、分波すべき第１波長に関する伝搬定数差δが零に設定できない場合においても、誘電率の変化に伴う逆格子ベクトルにより、誘電率を周期的に変化させた後の光伝送路の等価伝搬定数差を零にすることができる。これにより、最大分波比が得られる。また、他の透過波長帯においては、等価伝搬定数差が零でなくなることから、透過帯域を得ることができる。
【００１８】
また、本発明によれば、第１光伝送路や他の光伝送路が形成された後に、特性を測定して、その後に誘電率を周期的に変化させる処理を行えば、より特性の良好な装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明を実施するための最良の形態について説明する。以下の実施の形態は、本発明を具体的に説明するものであって、その具体性を理由として本発明の権利の及ぶ範囲が制限されるものではない。また、それぞれの構成要素は、任意に独立して把握できるものであって、請求項の構成要件から任意の構成要件の削除した発明、任意の構成要件を付加した発明も本明細書において認識されているものである。
【００２０】
図１は、本発明の具体的な一実施例に係る光分波装置１０の構成を示した平面図である。基板１２の上に第１光伝送路１４と第２光伝送路１６とが形成されている。この２つの光伝送路は所定区間Ａにおいて接近するように形成されている。この所定区間（以下、「光結合区間」という）Ａが同方向の光結合領域となる。第１光伝送路１４を伝搬する第１波長λ1 の光波はこの光結合区間Ａにおいて第２光伝送路１６に分波される。また、第１光伝送路１４を伝搬する他の波長λ2 の光波は第２光伝送路１６に分波されることなく、第１光伝送路１４を下流側に伝搬する。同様に、第１光伝送路１４を伝搬する他の波長λ3 の光波は第２光伝送路１６に分波されることなく、第１光伝送路１４を上流側に伝搬する。第１光伝送路１４の上流側と下流側、第２光伝送路１６の下流側には光ファイバーが接続されており、光伝送路を形成している。
【００２１】
これらの波長は、例えば、ＣＡＴＶネットワークにおいては、λ1 を１．５５μｍとして、第１波長の光波を放送用の下り搬送波とし、λ2 を１．４９μｍとして、この光波をデータ通信用の下り搬送波とし、λ3 を１．３１μｍとして、この光波をデータ通信用の上り搬送波とすることができる。
【００２２】
本発明は、この光結合区間Ａにおいて、光波の進行方向に沿って誘電率を周期的に変化させたことが特徴である。図２は、誘電率を周期的に変化させる模式図が示されている。第１光伝送路１４、第２光伝送路１６、その間のクラッド１８において、光波の進行方向に沿って誘電率を周期Λで周期的に変化させている。この部分は回折格子に当たる。
【００２３】
誘電率の変化特性は、図３に示すように様々なものが考えられる。図３（ａ）に示すように、不純物を添加して、誘電率の所定の変化特性を得るものである。図３（ｂ）、（ｃ）は、光伝送路やクラッドの表面をエッチングすることで、屈折率を周期的に変化させたものである。
【００２４】
次に、本装置の原理について説明する。
同方向の光結合に関しては、電磁界解析により、第１光伝送路１４におけるｚ方向に進行する光波の電磁界振幅Ａ（ｚ）は、（１）式で与えられ、第２光伝送路１６に光結合により分波される光波のｚ方向に進行する光波の電磁界振幅Ｂ（ｚ）は、（２）式で与えられる。
【００２５】
ただし、第２光伝送路の伝搬定数をβ2 、第１光伝送路の伝搬定数をβ1 、δ＝（β2 −β1 ）／２、光伝送路間の結合係数をχとする。
【数１】
2005250291.tif 000003
【数２】
2005250291.tif 000004
【００２６】
ただし、Ａ0 は、光結合領域の入射端での電磁界強度である。
第１光伝送路１４における光波の進行方向ｚに関する規格化電力密度分布Ｐa （ｚ）は、（３）式で与えられ、第２光伝送路１６に分波した光波の進行方向ｚに関する規格化電力密度分布Ｐb （ｚ）は、（４）式で与えられる。
【数３】
2005250291.tif 000005
【数４】
2005250291.tif 000006
ただし、
【数５】
2005250291.tif 000007
【数６】
2005250291.tif 000008
【００２７】
である。
また、最短結合長Ｌc は、（７）式で与えられ、伝搬定数差δ＝０の時に、分波比は１（最大）となりその時の最短結合長Ｌc は、（８）式で与えられる。
【数７】
2005250291.tif 000009
【数８】
2005250291.tif 000010
【００２８】
まず、第１波長λ1 で分波特性を持たせるためには、その波長においてδ（λ1 ）＝０とすれば、結合帳Ｌc ＝π／（２χ）＋ｎπ  （ｎ＝０，１，２，…）の時に、Ｐb （Ｌc ）は最大値１となり、Ｐa （Ｌc ）は零となる。すなわち、この条件を満たす時、第１波長λ1 の光波は結合領域Ａにより、第２光伝送路１６に全て分波されることになる。
この時の分波率、透過率の特性を示すと、図４のようになる。
【００２９】
また、δ＝２χに設定すると、分波率、透過率は、図５に示すようになる。最小結合帳Ｌc ＝π／（２χ）において（ｑｚ＝π／２）、分波率は０．２、透過率は０．８となることが理解される。
すなわち、第１波長に対して分波比率を１として、他の波長に対しては分波比率を０とするには、第１波長λ1 に対しては、δ（λ1 ）＝０を満たし、他の透過波長λ2 、λ3 においては、δ（λ2 ）／χ（λ2 ）＝∞、δ（λ3 ）／χ（λ3 ）＝∞となり、Ｆ＝０となることが理想である。
【００３０】
次に、結合領域Ａにおいて、光波の進行方向に沿って誘電率を周期的に変化させた場合について説明する。
この場合には、モード結合法的式は、（９）、（１０）式のようになる。
【数９】
2005250291.tif 000011
【数１０】
2005250291.tif 000012
また、結合係数χは、周期的な誘電率の変化により（１１）式のようになる。
【数１１】
2005250291.tif 000013
また、位相の整合条件を示す変数ψを（１２）式で定義する。以下、この変数２ψを位相変数という。
【数１２】
2005250291.tif 000014
【００３１】
このように、誘電率の周期的変化は、波動方程式において摂動となるために、誘電率が周期的に変化しない場合における上記の（１）〜（８）式における伝搬定数差２δを、位相変数２ψで置換した議論がそのまま成立する。
【００３２】
したがって、まず、第１波長λ1 で最大分波比を得るための条件は、ψ（λ1 ）＝０であり、他の透過波長λ2 、λ3 においては、ψ（λ2 ）／χ（λ2 ）＝∞、ψ（λ3 ）／χ（λ3 ）＝∞となることが理想である。また、この時の結合帳Ｌc は、Ｌc ＝π／（２χ）＋ｎπ  （ｎ＝０，１，２，…）で与えられる。
【００３３】
よって、本発明では、誘電率の周期Λを制御することにより、分波率、透過率を制御できることになる。すなわち、制御困難な伝搬定数差２δ（λ）に代えて、制御容易なΛ（λ）の特性を用いることができる。よって、特定波長で分波比が最大で、透過帯波長帯の光波に対しては損失の小さいな光分波装置となる。また、合波も同様であることから、本装置は、性能の良好な光分波／合波装置となる。
【００３４】
また、図６に示す波長関係において、波長λ1 だけを分波する場合には、分波光の半値幅Δλと、波長λ1 と回折格子の周期Λと、結合長Ｌc との間には、Δλ／λ1 ＝Λ／Ｌc の関係がある。半値幅の定義により、（４）式から与えられる結合率において、半値幅Δλだけずれた波長λ1 ＋Δλの波長においては、結合率は波長λ1 時の結合率の１／２になる。このことから、この関係式は得られる。例えば、λ1 ＝１．５５μｍ、Λ＝１０．０μｍ、Ｌc ＝５ｍｍで設計した場合には、Δλ1 ＝３．１ｎｍとなる。
これは、第１光伝送路における次の２つの波長差と次の関係がある。
｜λ2 −λ1 ｜＝｜１．４９−１．５５｜≫Δλ1 
｜λ3 −λ1 ｜＝｜１．３１−１．５５｜≫Δλ1 
このことから、第１光伝送路では上記の３つの波長の多重化が可能となり、第２光伝送路にのみ第１波長を分波させることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、特定波長のみを分波したり、合波したりする装置に用いることができる。具体的には、１．５５μｍの波長の光波を放送用の下り搬送波とし、波長１．４９μｍの光波をデータ通信用の下り搬送波とし、波長１．３１μｍの波長の光波をデータ通信用の上り搬送波として、それらの光波を１本の光ファイバーで伝送させる波長多重伝送方式に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の具体的な実施例に係る光分波装置の構成を示した平面図。
【図２】同実施例装置の概念を示した説明図。
【図３】誘電率の変化の方法を示した説明図。
【図４】分波特性を示した説明図。
【図５】分波特性を示した説明図。
【図６】本実施例装置で用いられる波長と半値幅との関係を示した説明図。
【図７】従来の光結合による分波装置の構成図。
【図８】従来の光結合による分波装置の構成図。
【符号の説明】
【００３７】
１０…分波装置
１２…基板
１４…第１光伝送路
１６…第２光伝送路
【図１】
2005250291.tif 000015
【図２】
2005250291.tif 000016
【図３】
2005250291.tif 000017
【図４】
2005250291.tif 000018
【図５】
2005250291.tif 000019
【図６】
2005250291.tif 000020
【図７】
2005250291.tif 000021
【図８】
2005250291.tif 000022