波長合分波器
【課題】偏波無依存で使用することができ、かつ作成を容易にする。
【解決手段】同一平面にプレーナ導波路としてそれぞれ形成されている、第１入出力端13aを有する第１光導波路部13、第２光導波路部15、及び第３光導波路部17を具える。第１光導波路部、第２光導波路部、及び第３光導波路部はこの順序で連続的につながっており、第１光導波路部は、０次及び１次モードの光を励起し、かつ第１入出力端から第２光導波路部との境界13bに向かって連続的に幅広となる形状で形成されている。そして、第１波長の光に対して、第１入出力端から入力され、第２光導波路部と第３光導波路部との境界15aに到達した０次モードのＴＥ光と１次モードのＴＥ光との位相差ｍ１πにおけるｍ１と、第１入出力端から入力され、第２光導波路部と第３光導波路部との境界に到達した０次モードのＴＭ光と１次モードのＴＭ光との位相差ｍ２πにおけるｍ２とが、ともに偶数又は奇数となる。
【解決手段】同一平面にプレーナ導波路としてそれぞれ形成されている、第１入出力端13aを有する第１光導波路部13、第２光導波路部15、及び第３光導波路部17を具える。第１光導波路部、第２光導波路部、及び第３光導波路部はこの順序で連続的につながっており、第１光導波路部は、０次及び１次モードの光を励起し、かつ第１入出力端から第２光導波路部との境界13bに向かって連続的に幅広となる形状で形成されている。そして、第１波長の光に対して、第１入出力端から入力され、第２光導波路部と第３光導波路部との境界15aに到達した０次モードのＴＥ光と１次モードのＴＥ光との位相差ｍ１πにおけるｍ１と、第１入出力端から入力され、第２光導波路部と第３光導波路部との境界に到達した０次モードのＴＭ光と１次モードのＴＭ光との位相差ｍ２πにおけるｍ２とが、ともに偶数又は奇数となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、異なる波長の光を合分波する波長合分波器に関し、特に、偏波無依存で使用可能な波長合分波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来周知の通り、光加入者系システムでは、加入者から局への光伝送、すなわち上り伝送、及び局から加入者への光伝送、すなわち下り伝送が一本の光ファイバによって行われる。そのため、上り伝送と下り伝送とでは異なる波長の光が使用される。従って、このような光加入者系では、局側及び加入者側の双方において、異なる波長の光を合波及び分波するための波長合分波器を具える必要がある。そして、加入者側に用いられる波長合分波器は、ＯＮＵ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）と呼ばれる（例えば特許文献１〜５参照）。
【０００３】
近年、上述した波長合分波器として、光軸合わせを不要とする光導波路型の波長合分波器が研究されている。このような波長合分波器としては、例えば、マッハツェンダ干渉計を用いたもの、方向性結合器を用いたもの、多モード干渉光導波路を用いたもの等が知られている。
【０００４】
マッハツェンダ干渉計を用いた波長合分波器には、回路理論を用いて波長特性を設計できるとう利点がある。しかし、ＯＮＵに使用するＳｉによって構成されたマッハツェンダ型の波長合分波器は、等価屈折率や結合係数の波長依存性が大きいために設計が難しいという欠点がある。
【０００５】
また、波長合分波器では、導波路幅の差によりクロストーク特性が劣化し易いという欠点がある。
【０００６】
これらに対して、多モード干渉光導波路を用いた波長合分波器では、上述した光加入者系システムにおいて、主に上り伝送に使用される約１．３μｍの波長の光と、主に下り伝送に使用される約１．５μｍの波長の光とを分離することができる（例えば非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許明細書 第４８６０２９４号
【特許文献２】米国特許明細書 第５７６４８２６号
【特許文献３】米国特許明細書 第５９６０１３５号
【特許文献４】米国特許明細書 第７０７２５４１号
【特許文献５】特開平８−１６３０２８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｂａｏｊｕｎ Ｌｉ ｅｔａｌ．“１×２ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｆｉｌｔｅｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ １．３− ａｎｄ １．５５−μｍ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ”，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．３，ｐｐ７２３−７２７（Ｍａｒｃｈ，２００２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献１に開示された波長合分波器は、大きな偏波依存性があり、ＴＥ成分及びＴＭ成分のどちらか一方の偏波成分に対してしか使用することができない。
【００１０】
また、非特許文献１に開示された波長合分波器は、ＳｉＧｅを材料として構成されているため、例えばＳｉを材料とする素子と比して作成が困難である。
【００１１】
この発明は、このような問題点に鑑みなされたものである。従って、この発明の目的は、偏波無依存で使用することができ、かつ作成が容易な波長合分波器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の目的の達成を図るため、この発明による波長合分波器は、以下の特徴を有している。
【００１３】
すなわち、この発明による波長合分波器は、同一平面にプレーナ導波路としてそれぞれ形成されている、第１入出力端を有する第１光導波路部、第２光導波路部、及び第２入出力端を有する第１サブ導波路と第３入出力端を有する第２サブ導波路とからなる第３光導波路部を具えている。
【００１４】
これら第１光導波路部、第２光導波路部、及び第３光導波路部はこの順序で連続的につながっている。
【００１５】
そして、この発明による波長合分波器では、第１入出力端と第２入出力端との間、及び第１入出力端と第３入出力端との間で伝搬光が伝搬する。
【００１６】
また、第１光導波路部は、０次及び１次モードの光を励起し、かつ第１入出力端から第２光導波路部との境界に向かって、この境界に沿った幅方向に直線的に幅広となる形状で形成されている。
【００１７】
そして、この発明による波長合分波器では、第１波長の伝搬光に対して、第１入出力端から入力され、第１光導波路部及び第２光導波路部を順次伝搬し、第２光導波路部と第３光導波路部との境界に到達した０次モードのＴＥ光と１次モードとのＴＥ光との、次式（１）で与えられる位相差ｍ１πにおける係数ｍ１と、第１入出力端から入力され、第１光導波路部及び第２光導波路部を順次伝搬し、第２光導波路部と第３光導波路部との境界に到達した０次モードのＴＭ光と１次モードとのＴＭ光との、次式（２）で与えられる位相差ｍ２πにおける係数ｍ２とが、ともに偶数または奇数となる第１入出力端の幅、第１光導波路部の長さ、第２光導波路部の幅、及び第２光導波路部の長さが設定されている。
【００１８】
φＴＥ１＋ΔβＴＥ１Ｌ＝ｍ１π （１）
ここで、φＴＥは、第１光導波路部においてＴＥ光に生じる位相変化量、ΔβＴＥは、第２光導波路部における、０次モードのＴＥ光の伝搬定数と１次モードのＴＥ光の伝搬定数との差、Ｌは、第２光導波路部の、幅方向に直交しかつ平面に沿った長さである。
【００１９】
φＴＭ＋ΔβＴＭＬ＝ｍ２π （２）
ここで、φＴＭは、第１光導波路部においてＴＭ光に生じる位相変化量、ΔβＴＭは、第２光導波路部における、０次モードのＴＭ光の伝搬定数と１次モードのＴＭ光の伝搬定数との差である。
【発明の効果】
【００２０】
上述のような構成上の特徴を有することによって、この発明によれば、ＴＥ光及びＴＭ光の双方において波長を合分波することが可能となり、すなわち、偏波無依存で使用することができ、かつ容易に作成可能な波長合分波器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施の形態による波長合分波器の要部を概略的に示す図であり、波長合分波器を、第１光導波路部、第２光導波路部、及び第３光導波路部が形成されている平面に沿って示す平面図である。
【図２】第１の実施の形態による波長合分波器の要部を概略的に示す図であり、波長合分波器を、図１に示すＩ−Ｉ線に沿って切り取った断面の切り口を矢印方向から見た端面図である。
【図３】第１の実施の形態による波長合分波器の波長分離特性の説明に供する特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態に係る波長合分波器について説明する。なお、各図は、この発明が理解できる程度に、各構成要素の形状、大きさ、及び配置関係を概略的に示してあるに過ぎない。従って、この発明の構成は、何ら図示の構成例にのみ限定されるものではない。
【００２３】
〈第１の実施の形態〉
第１の実施の形態では、第１光導波路部、第２光導波路部、及び第３光導波路部を具える波長合分波器について説明する。
【００２４】
図１及び図２は、この発明の第１の実施の形態による波長合分波器の要部を概略的に示す図である。図１は、波長合分波器を、第１光導波路部、第２光導波路部、及び第３光導波路部が形成されている平面に沿って示す平面図である。また、図２は、波長合分波器の、図１に示すＩ−Ｉ線に沿って切り取った断面の切り口を矢印方向から見た端面図である。
【００２５】
なお、実際の波長合分波器では、図１に示す構造体において、波長合分波器の全面がクラッド内に埋め込まれて形成されている。しかし、この図１では、第１の実施の形態に係る特徴部分を明瞭に示すために、クラッドを省略して示している。
【００２６】
第１の実施の形態による波長合分波器１１は、第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７を具えている。
【００２７】
これら第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７は、同一平面に、多モードのプレーナ導波路としてそれぞれ形成されており、この順序で連続的かつ一体的に繋がって形成されている。
【００２８】
このように第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７を配設するために、これら第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７は、共通する１つの基板１９上に形成されている。
【００２９】
すなわち、基板１９は、単結晶Ｓｉによって構成されている。そして、この基板１９上には、ＳｉＯ２によって構成されているクラッド２１が積層されている。そして、第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７を含む波長合分波器１１は、基板１９の基板面１９ａに沿って、すなわち同一平面に沿って、クラッド２１内にＳｉを材料として埋め込まれている。
【００３０】
ここで、この実施の形態では、波長合分波器１１を上述した光加入者系システムにおいて使用する場合には、すなわち、上り光信号として例えば１．３１μｍの波長の光を、また、下り光信号として例えば１．４９μｍの波長の光を用いる場合には、第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７を含む波長合分波器１１を構成するＳｉの屈折率を好ましくは例えば３．５、また、クラッド２１を構成するＳｉＯ２の屈折率を好ましくは例えば１．４６に設定する。
【００３１】
また、第１の実施の形態では、波長合分波器１１を、縦方向、すなわち基板１９の厚み方向において単一モードの光導波路として構成する。そのために、一体的に形成されているこれら第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７の厚みＤ１は、好ましくは０．５μｍ以下、より好適には、０．３μｍに設定されている。
【００３２】
ここで、このような波長合分波器１１は、例えば周知のＳＯＩ基板を用意することによって、容易に製造することができる。
【００３３】
すなわち、まず、単結晶Ｓｉ層、ＳｉＯ２膜、及びＳｉ膜がこの順に積層されて構成されたＳＯＩ基板を用意する。そして、周知のエッチング技術を用いてＳｉ膜を部分的に除去することによって、このＳｉ膜の残存部分から、上述した第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７を形成する。しかる後、ＳＯＩ基板全面に、これら作り込まれた第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７を埋め込んでＳｉＯ２膜を堆積する。これによって、上述したような、単結晶Ｓｉ基板、すなわち基板１９上に、ＳｉＯ２で構成されたクラッド２１内に埋め込まれて、波長合分波器１１が形成される。
【００３４】
また、第１光導波路部１３は、第２光導波路部１５との境界１３ｂと対向する側面１３ａとして、第１入出力端１３ａを有している。そして、第１光導波路部１３は、この第１入出力端１３ａにおいて、単一モード光導波路である第１入出力光導波路２３を介して、上述した光加入者系システムにおける局側装置（図示せず）と光学的に接続されている。
【００３５】
なお、第１入出力光導波路２３と第１入出力端１３ａとの接続位置は、以下の条件に基づいて設計される。すなわち、第１入出力光導波路２３の接続位置は、当該第１入出力光導波路２３から第１入出力端１３ａへ入力され、第１入出力光導波路２３及び第２光導波路部１５を順次伝搬する光が、第２光導波路部１５と第３光導波路部１７との境界１５ａへ到達した際に、その波長に応じた干渉パターンが、第２光導波路部１５と、後述する第１サブ導波路２５または第２サブ導波路２７との接続位置で極大となるように設計される。
【００３６】
また、上り光信号として例えば１．３１μｍの波長の光を、また、下り光信号として例えば１．４９μｍの波長の光を用いる場合には、第１入出力光導波路２３は、波長合分波器１１と一体的に、０．３μｍの厚みで、かつ例えば０．３μｍの幅、すなわち第１入出力端１３ａに沿った幅で形成されているのが好ましい。
【００３７】
また、この第１の実施の形態による波長合分波器１１は、０次及び１次モードの励起光に対応した波長合分波器として構成されている。そのために、第１光導波路部１３は、０次及び１次モードの光を励起する光導波路として形成されている。すなわち、第１入出力端１３ａの、境界１３ｂに沿った幅Ｗ１は、０次及び１次モードの光を励起するように設定されている。なお、第１入出力端１３ａの幅Ｗ１の具体的な好適例については後述する。また、この実施の形態において、以下、境界１３ｂに沿った方向を幅方向、また、この幅方向に沿った寸法を幅と称する。また、この幅方向に直交し、かつ第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７が形成されている平面に沿った、すなわち基板面１９ａに沿った方向を長さ方向、そして、この長さ方向に沿った寸法を長さと称する。
【００３８】
また、第１光導波路部１３は、図１に示す構成例では、その平面形状がテーパ形状で、すなわち第１入出力端１３ａから第２光導波路部１５との境界１３ｂに向かって、連続的かつ直線的に幅方向に幅広となる台形形状、好ましくは等脚台形形状で形成されている。この台形は、例えば、互いに平行な上辺１３ａと、この上辺よりも長い下辺１３ｂと、さらに、これら上辺及び下辺の端間をそれぞれつなぐ互いに長さの等しい２つの側辺とを有している。また、第１光導波路部１３は、設計上の自由度の向上を目的として、上辺に対応する第１入出力端１３ａと第１入出力光導波路２３と間に、第１入出力端１３ａと等しい幅を有する矩形状の光導波路を追加的に含む構成としてもよい（図示せず）。
【００３９】
また、第２光導波路部１５は、図１に示す構成例では、その平面形状が矩形状の光導波路であり、かつ第１光導波路部１３との境界１３ｂにおいて、その第１の辺の長さに対応する幅Ｗ２と、第１光導波路部１３の下辺１３ｂの長さに対応する幅を揃えて形成されている。
【００４０】
また、第３光導波路部１７は、第１光導波路部１３と第２光導波路部１５との境界１３ｂと対向する、第２光導波路部１５の第２の辺１５ａ、すなわち境界１５ａにおいて、第２光導波路部１５と接続されている。
【００４１】
さらに、この第３光導波路部１７は、それぞれ平面形状が台形形状、より好ましくは等脚台形形状の第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７からなり、上辺と、この上辺よりも長い下辺と、これら上辺及び下辺の端間をそれぞれ繋ぐ互いに長さの等しい２つの側辺とを有している。
【００４２】
これら第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７は、互いに離間して、第２光導波路部１５と、第２の辺１５ａの一部分に対応する境界１５ａａ及び１５ａｂにおいてそれぞれ下辺を接続させている。
【００４３】
また、第１サブ導波路２５は、境界１５ａａと対向する一端（上述した上辺に対応する）として第２入出力端２５ａを、及び第２サブ導波路２７は、境界１５ａｂと対向する一端（上述した上辺に対応する）として第３入出力端２７ａを、それぞれ有している。
【００４４】
そして、第１サブ導波路２５は、第２入出力端２５ａにおいて、単一モード光導波路である第２入出力光導波路２９を介して、上述した光加入者系システムにおける加入者側装置（図示せず）と光学的に接続されている。また、第２サブ導波路２７は、第３入出力端２７ａにおいて、単一モード光導波路である第３入出力光導波路３１を介して、上述した光加入者系システムにおける加入者側装置と光学的に接続されている。これら第２入出力光導波路２９及び第３入出力光導波路３１は、設計に応じて、いずれか一方が上り光信号を加入者側装置から波長合分波器１１へ伝搬する上り用の光導波路として、また、他方が下り光信号を波長合分波器１１から加入者側装置へ伝搬する下り用の光導波路として、それぞれ使用される。
【００４５】
また、第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７は、それぞれ境界１５ａａ及び１５ａｂから第２入出力端２５ａ及び第３入出力端２７ａに向かって、連続的に幅狭となる形状で形成されている。
【００４６】
ここで、第２光導波路部１５から第３光導波路部１７へ、漏れを抑制して光を伝搬させるためには、第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７と第２光導波路部１５との境界１５ａａ及び１５ａｂの幅Ｗ３ａ及びＷ３ｂを、第２光導波路部１５の幅Ｗ２に応じて、可能な限り大きく設定するのが好ましい。そして、同様の理由から、第１サブ導波路２５及び第２光導波路部１５の接続位置と、第２サブ導波路２７及び第２光導波路部１５の接続位置との離間距離Ｗ４を、可能な限り小さく設定するのが好ましい。なお、これらＷ３ａ、Ｗ３ｂ、及びＷ４の具体的な好適例については後述する。
【００４７】
また、第２入出力端２５ａは、第２入出力光導波路２９と幅を揃えて形成されている。また、第３入出力端２７ａは、第３入出力光導波路３１と幅を揃えて形成されている。そして、上り光信号として例えば１．３１μｍの波長の光を、また、下り光信号として例えば１．４９μｍの波長の光を用いる場合には、第２入出力光導波路２９及び第３入出力光導波路３１は、波長合分波器１１と一体的に、０．３μｍの厚みで、かつ例えば０．３μｍの幅、すなわち第２入出力端２５ａ及び第３入出力端２７ａに沿った幅でそれぞれ形成されているのが好ましい。
【００４８】
上述した構成とすることによって、この第１の実施の形態による波長合分波器１１において、伝搬光、すなわち上り光信号及び下り光信号は、第１入出力端１３ａと第２入出力端２５ａとの間、及び第１入出力端１３ａと第３入出力端２７ａとの間を伝搬する。
【００４９】
このような波長合分波器１１を、偏波無依存で使用するためには、第１入出力端の幅Ｗ１、第１光導波路部１３の長さＳ、第２光導波路部１５の幅Ｗ２、及び第２光導波路部１５の長さＬを、使用する伝搬光の波長と波長合分波器１１及びクラッド２１を構成する材料に応じて、適宜設定する必要がある。以下、これら各寸法を決定するための条件について説明する。
【００５０】
０次及び１次モードの光を励起する光導波路において、この光導波路を伝搬する、ある波長の０次モードの光と１次モードの光との位相差は、この光導波路部の長さ、及び０次モードの光と１次モードの光との伝搬定数差の積で与えられる。そして、異なる幅及び長さの光導波路部が複数結合されて構成されている光学素子では、この光導波路を伝搬する、ある波長の０次モードの光と１次モードの光との位相差は、上述した長さ及び伝搬定数差の積の和によって与えられる。
【００５１】
従って、波長合分波器１１において、第１入出力端１３ａから入力され、第１光導波路部１３及び第２光導波路部１５を順次伝搬し、第２光導波路部１５と第３光導波路部１７との境界１５ａに到達した、ある波長、すなわち第１波長の、０次モードのＴＥ光と１次モードのＴＥ光との位相差ｍ１πは、次式（１）で与えられる。なお、波長合分波器１１において、第１光導波路部１３は、上述したようにテーパ形状で形成されているため幅が一定していない。そのため、第１光導波路部１３における０次モードの光と１次モードとの光との位相差については、長さ及び伝搬定数差の積ではなく位相変化量φを以って表す
φＴＥ１＋ΔβＴＥ１Ｌ＝ｍ１π （１）
ここで、φＴＥ１は、第１光導波路部１３において第１波長のＴＥ光に生じる位相変化量、ΔβＴＥ１は、第２光導波路部１５における、第１波長の、０次モードのＴＥ光の伝搬定数と１次モードのＴＥ光の伝搬定数との差、Ｌは、第２光導波路部１５の長さである。
【００５２】
このように与えられる位相差ｍ１πにおいて、係数ｍ１が整数となる場合には、ＴＥ光の干渉により光は、第１入出力端１３ａから入力され、第１光導波路部１３及び第２光導波路部１５をｍ１回蛇行しつつ伝搬し、第１サブ導波路２５または第２サブ導波路２７のいずれかに入力される。
【００５３】
また、同様に、波長合分波器１１において、第１入出力端１３ａから入力され、第１光導波路部１３及び第２光導波路部１５を順次伝搬し、第２光導波路部１５と第３光導波路部１７との境界１５ａに到達した、第１波長の、０次モードのＴＭ光と１次モードのＴＭ光との位相差ｍ２πは、次式（２）で与えられる。
【００５４】
φＴＭ＋ΔβＴＭＬ＝ｍ２π （２）
ここで、φＴＭは、第１光導波路部１３において第１波長のＴＭ光に生じる位相変化量、ΔβＴＭは、第２光導波路部１５における、第１波長の、０次モードのＴＭ光の伝搬定数と１次モードのＴＭ光の伝搬定数との差である。
【００５５】
このように与えられるｍ２πにおいて、係数ｍ２が整数となる場合には、ＴＥ光の干渉により光は、第１入出力端１３ａから入力され、第１光導波路部１３及び第２光導波路部１５をｍ２回蛇行しつつ伝搬し、第１サブ導波路２５または第２サブ導波路２７のいずれかに入力される。
【００５６】
従って、ｍ１πにおけるｍ１と、ｍ２πにおけるｍ２とが、ともに偶数又は奇数となる場合には、第１入出力端１３ａから入力される光、すなわち下り光信号は、ＴＥ光及びＴＭ光ともに、第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７のうち、同じ一方のサブ導波路に入力される。すなわち、偏波無依存で、下り光信号が第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７のうち、同じ一方のサブ導波路に入力される。
【００５７】
そこで、この第１の実施の形態による波長合分波器１１は、ｍ１とｍ２とがともに偶数または奇数となる、第１入出力端の幅Ｗ１、第１光導波路部の長さＳ、第２光導波路部の幅Ｗ２、及び第２光導波路部の長さＬが設定されている。
【００５８】
また、波長合分波器１１は、下り光信号と上り光信号とを合波及び分波するために、この第１波長とは異なる第２波長の光が、第１波長の光とは異なる経路を伝搬するように設計されている。すなわち、波長合分波器１１において、第１入出力端１３ａから入力される第１波長の光が、第１サブ導波路２５に入力される場合には、第１入出力端１３ａから入力される第２波長の光が、第２サブ導波路２７に入力され、また、第１入出力端１３ａから入力される第１波長の光が、第２サブ導波路２７に入力される場合には、第１入出力端１３ａから入力される第２波長の光が、第１サブ導波路２５に入力される。そして、光の伝搬経路は可逆であるため、これらいずれかの経路が成立する場合には、第２波長の光を上り光信号として使用することが可能となる。
【００５９】
そこで、波長合分波器１１は、第１波長及び第２波長の光を合分波するために、上述した条件に加えて、さらに以下の条件に基づいて形成されている。
【００６０】
第１入出力端１３ａから入力され、第１光導波路部１３及び第２光導波路部１５を順次伝搬し、第２光導波路部１５と第３光導波路部１７との境界１５ａに到達した第２波長の０次モードのＴＥ光と１次モードのＴＥ光との位相差ｍ３πは、次式（３）で与えられる。
【００６１】
φＴＥ２＋ΔβＴＥ２Ｌ＝ｍ３π （３）
ここで、φＴＥ２は、第１光導波路部１３において第２波長のＴＥ光に生じる位相変化量、ΔβＴＥ２は、第２光導波路部１５における、第２波長の、０次モードのＴＥ光の伝搬定数と１次モードのＴＥ光の伝搬定数との差、Ｌは、第２光導波路部１５の長さである。
【００６２】
このように与えられるｍ３πにおいて、係数ｍ３が整数となる場合には、上述した係数ｍ１及び係数ｍ２と同様に、ＴＥ光の干渉により光は、第１入出力端１３ａから入力され、第１光導波路部１３及び第２光導波路部１５をｍ３回蛇行しつつ伝搬し、第１サブ導波路２５または第２サブ導波路２７のいずれかに入力される。
【００６３】
従って、上述したｍ１πにおける係数ｍ１及びｍ２πにおける係数ｍ２が奇数の場合には、係数ｍ３を偶数とし、ｍ１πにおける係数ｍ１及びｍ２πにおける係数ｍ２が偶数の場合には、係数ｍ３を奇数とすることによって、第２波長の光は、第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７のうち、第１波長の光とは異なる一方のサブ導波路に入力される。
【００６４】
そこで、この第１の実施の形態による波長合分波器１１は、係数ｍ１と係数ｍ２とがともに奇数の場合には係数ｍ３が偶数となり、また、係数ｍ１と係数ｍ２とがともに偶数の場合には係数ｍ３が奇数となる、第１入出力端の幅Ｗ１、第１光導波路部の長さＳ、第２光導波路部の幅Ｗ２、及び第２光導波路部の長さＬが設定されている。
【００６５】
なお、波長合分波器１１を光加入者系システムにおいてＯＮＵとして使用する場合、加入者側装置から波長合分波器１１へ入力される上り光信号は、偏光が一定した状態で波長合分波器１１へ入力される。そのため、波長合分波器１１を偏波無依存で使用可能とするに当たり、上り光信号として使用する第２波長の光については、ＴＥ光について上述した条件の係数ｍ３を設定すればよい。
【００６６】
そして、波長合分波器１１をＯＮＵとして使用する場合には、上り光信号として１．３１の波長の伝搬光、及び下り光信号として１．４９μｍの波長の伝搬光に対応させて上述した各寸法を設定する。これら各波長の上り及び下り光信号を使用する場合には、例えば好ましくは、第１入出力端１３ａの幅Ｗ１を０．７５μｍ、第１光導波路部１３の長さＳを１５μｍ、第２光導波路部１５の幅Ｗ２を２．２μｍ、及び第２光導波路部１５の長さＬを６２μｍとする。その結果、係数ｍ１及び係数ｍ２が７．０となり、ともに奇数となるため、１．４９μｍの波長の下り光信号は、ＴＥ光及びＴＭ光ともに、第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７のうち、同じ一方のサブ導波路に入力される。また、このとき、係数ｍ３が６．０となり、係数ｍ１及び係数ｍ２とは異なり偶数となるため、例えば上り光信号として使用される１．３１μｍの波長のＴＥ光は、第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７のうち、１．４９μｍの波長の波長とは異なる一方のサブ導波路に入力される。
【００６７】
また、この設計例のように第１入出力端１３ａの幅Ｗ１を設定することによって、すなわち第１入出力端１３ａの幅Ｗ１を０．７５μｍとすることによって、第１光導波路部１３は、０次及び１次モードモードを励起する。また、この設計例において、波長合分波器１１を設計する場合には、第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７を、第２光導波路１５の第２の辺１５ａの幅方向の中点から等しい距離だけ離間させ、これら第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７と第２光導波路部１５との境界１５ａａ及び１５ａｂの幅Ｗ３ａ及びＷ３ｂをともに０．６μｍ、第１サブ導波路２５及び第２光導波路部１５の接続位置と、第２サブ導波路２７及び第２光導波路部１５の接続位置との離間距離Ｗ４を０．３μｍとするのが好ましい。そして、第１入出力光導波路２３を、第１入出力端１３ａの幅方向の中点から、０．１５μｍ離間した位置で第１光導波路部１３と接続するのが好ましい。
【００６８】
次に、上述した各寸法によって設計された波長合分波器１１の波長分離特性について、図３を参照して説明する。
【００６９】
図３は、第１の実施の形態による波長合分波器１１の波長分離特性の説明に供する特性図である。図３において、縦軸は、第１入出力端１３ａから入力され、第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７から出力される伝搬光の光強度を任意単位で目盛ってあり、横軸は波長をμｍ単位で目盛ってある。
【００７０】
また、図３は、第１入出力端１３ａから偏波成分としてＴＥ光及びＴＭ光を含む光を入力し、第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７のそれぞれにおいて検出される光の強度を、波長を変化させながら計算したものである。計算に当たっては、３次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用いた。
【００７１】
なお、図３にいて、曲線３３は、第１サブ導波路２５から出力されるＴＥ光の光強度を示している。また、曲線３５は、第１サブ導波路２５から出力されるＴＭ光の光強度を示している。また、曲線３７は、第２サブ導波路２７から出力されるＴＥ光の光強度を示している。また、曲線３９は、第２サブ導波路２７から出力されるＴＭ光の光強度を示している。
【００７２】
図３における曲線３３及び曲線３５を参照すると、第１サブ導波路２５において出力されるＴＥ光及びＴＭ光の光強度は、１．４９μｍ付近の波長でピークを持ち、また、約１．３１μｍ付近の波長でボトムを持つ。従って、第１入出力端１３ａから入力された１．４９μｍ付近の光は、ＴＥ光及びＴＭ光ともに、すなわち偏波無依存で、第１サブ導波路２５に出力されることがわかる。
【００７３】
また、図３における曲線３７及び曲線３９を参照すると、第２サブ導波路２７において出力されるＴＥ光及びＴＭ光の光強度は、１．４９μｍ付近の波長でボトムを持ち、また、約１．３１μｍ付近の波長でピークを持つ。従って、第１入出力端１３ａから入力された１．３１μｍ付近の光は、ＴＥ光及びＴＭ光ともに、すなわち偏波無依存で、第２サブ導波路２７に出力されることがわかる。
【００７４】
なお、このシミュレーションを行った波長合分波器１１では、既に説明したように、上述した各寸法を決定する際の条件において、波長１．３１μｍのＴＭ光については考慮していない。そのため、第２サブ導波路２７から出力されるＴＭ光の強度を示す曲線３９は、第２サブ導波路２７から出力されるＴＥ光の強度を示す曲線３７と比して、波長１．３１μｍ付近のピークがわずかに低く、また、波長１．４９μｍ付近のボトムがわずかに高くなっている。しかしながら、上述したように、波長合分波器１１をＯＮＵとして使用する場合、加入者側装置から波長合分波器１１へ入力される上り光信号は、偏光が一定した状態で波長合分波器１１へ入力される。そのため、図３の曲線３７から明らかなように、波長合分波器１１では、上り光信号として使用する、波長１．３１μｍのＴＥ光について確実に波長分離特性が得られているため、この波長合分波器１１を問題なくＯＮＵとして使用することが可能である。
【００７５】
これらのことから、明らかなように、波長合分波器１１は、ＴＥ光及びＴＭ光の双方において波長を合分波することが可能であり、偏波無依存のＯＮＵとして使用することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１１：波長合分波器
１３：第１光導波路部
１３ａ：第１入出力端
１５：第２光導波路部
１７：第３光導波路部
１９：基板
２１：クラッド
２３：第１入出力光導波路
２５：第１サブ導波路
２５ａ：第２入出力端
２７：第２サブ導波路
２７ａ：第３入出力端
２９：第２入出力光導波路
３１：第３入出力光導波路
【技術分野】
【０００１】
この発明は、異なる波長の光を合分波する波長合分波器に関し、特に、偏波無依存で使用可能な波長合分波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来周知の通り、光加入者系システムでは、加入者から局への光伝送、すなわち上り伝送、及び局から加入者への光伝送、すなわち下り伝送が一本の光ファイバによって行われる。そのため、上り伝送と下り伝送とでは異なる波長の光が使用される。従って、このような光加入者系では、局側及び加入者側の双方において、異なる波長の光を合波及び分波するための波長合分波器を具える必要がある。そして、加入者側に用いられる波長合分波器は、ＯＮＵ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）と呼ばれる（例えば特許文献１〜５参照）。
【０００３】
近年、上述した波長合分波器として、光軸合わせを不要とする光導波路型の波長合分波器が研究されている。このような波長合分波器としては、例えば、マッハツェンダ干渉計を用いたもの、方向性結合器を用いたもの、多モード干渉光導波路を用いたもの等が知られている。
【０００４】
マッハツェンダ干渉計を用いた波長合分波器には、回路理論を用いて波長特性を設計できるとう利点がある。しかし、ＯＮＵに使用するＳｉによって構成されたマッハツェンダ型の波長合分波器は、等価屈折率や結合係数の波長依存性が大きいために設計が難しいという欠点がある。
【０００５】
また、波長合分波器では、導波路幅の差によりクロストーク特性が劣化し易いという欠点がある。
【０００６】
これらに対して、多モード干渉光導波路を用いた波長合分波器では、上述した光加入者系システムにおいて、主に上り伝送に使用される約１．３μｍの波長の光と、主に下り伝送に使用される約１．５μｍの波長の光とを分離することができる（例えば非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許明細書 第４８６０２９４号
【特許文献２】米国特許明細書 第５７６４８２６号
【特許文献３】米国特許明細書 第５９６０１３５号
【特許文献４】米国特許明細書 第７０７２５４１号
【特許文献５】特開平８−１６３０２８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｂａｏｊｕｎ Ｌｉ ｅｔａｌ．“１×２ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｆｉｌｔｅｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ １．３− ａｎｄ １．５５−μｍ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ”，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．３，ｐｐ７２３−７２７（Ｍａｒｃｈ，２００２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献１に開示された波長合分波器は、大きな偏波依存性があり、ＴＥ成分及びＴＭ成分のどちらか一方の偏波成分に対してしか使用することができない。
【００１０】
また、非特許文献１に開示された波長合分波器は、ＳｉＧｅを材料として構成されているため、例えばＳｉを材料とする素子と比して作成が困難である。
【００１１】
この発明は、このような問題点に鑑みなされたものである。従って、この発明の目的は、偏波無依存で使用することができ、かつ作成が容易な波長合分波器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の目的の達成を図るため、この発明による波長合分波器は、以下の特徴を有している。
【００１３】
すなわち、この発明による波長合分波器は、同一平面にプレーナ導波路としてそれぞれ形成されている、第１入出力端を有する第１光導波路部、第２光導波路部、及び第２入出力端を有する第１サブ導波路と第３入出力端を有する第２サブ導波路とからなる第３光導波路部を具えている。
【００１４】
これら第１光導波路部、第２光導波路部、及び第３光導波路部はこの順序で連続的につながっている。
【００１５】
そして、この発明による波長合分波器では、第１入出力端と第２入出力端との間、及び第１入出力端と第３入出力端との間で伝搬光が伝搬する。
【００１６】
また、第１光導波路部は、０次及び１次モードの光を励起し、かつ第１入出力端から第２光導波路部との境界に向かって、この境界に沿った幅方向に直線的に幅広となる形状で形成されている。
【００１７】
そして、この発明による波長合分波器では、第１波長の伝搬光に対して、第１入出力端から入力され、第１光導波路部及び第２光導波路部を順次伝搬し、第２光導波路部と第３光導波路部との境界に到達した０次モードのＴＥ光と１次モードとのＴＥ光との、次式（１）で与えられる位相差ｍ１πにおける係数ｍ１と、第１入出力端から入力され、第１光導波路部及び第２光導波路部を順次伝搬し、第２光導波路部と第３光導波路部との境界に到達した０次モードのＴＭ光と１次モードとのＴＭ光との、次式（２）で与えられる位相差ｍ２πにおける係数ｍ２とが、ともに偶数または奇数となる第１入出力端の幅、第１光導波路部の長さ、第２光導波路部の幅、及び第２光導波路部の長さが設定されている。
【００１８】
φＴＥ１＋ΔβＴＥ１Ｌ＝ｍ１π （１）
ここで、φＴＥは、第１光導波路部においてＴＥ光に生じる位相変化量、ΔβＴＥは、第２光導波路部における、０次モードのＴＥ光の伝搬定数と１次モードのＴＥ光の伝搬定数との差、Ｌは、第２光導波路部の、幅方向に直交しかつ平面に沿った長さである。
【００１９】
φＴＭ＋ΔβＴＭＬ＝ｍ２π （２）
ここで、φＴＭは、第１光導波路部においてＴＭ光に生じる位相変化量、ΔβＴＭは、第２光導波路部における、０次モードのＴＭ光の伝搬定数と１次モードのＴＭ光の伝搬定数との差である。
【発明の効果】
【００２０】
上述のような構成上の特徴を有することによって、この発明によれば、ＴＥ光及びＴＭ光の双方において波長を合分波することが可能となり、すなわち、偏波無依存で使用することができ、かつ容易に作成可能な波長合分波器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施の形態による波長合分波器の要部を概略的に示す図であり、波長合分波器を、第１光導波路部、第２光導波路部、及び第３光導波路部が形成されている平面に沿って示す平面図である。
【図２】第１の実施の形態による波長合分波器の要部を概略的に示す図であり、波長合分波器を、図１に示すＩ−Ｉ線に沿って切り取った断面の切り口を矢印方向から見た端面図である。
【図３】第１の実施の形態による波長合分波器の波長分離特性の説明に供する特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態に係る波長合分波器について説明する。なお、各図は、この発明が理解できる程度に、各構成要素の形状、大きさ、及び配置関係を概略的に示してあるに過ぎない。従って、この発明の構成は、何ら図示の構成例にのみ限定されるものではない。
【００２３】
〈第１の実施の形態〉
第１の実施の形態では、第１光導波路部、第２光導波路部、及び第３光導波路部を具える波長合分波器について説明する。
【００２４】
図１及び図２は、この発明の第１の実施の形態による波長合分波器の要部を概略的に示す図である。図１は、波長合分波器を、第１光導波路部、第２光導波路部、及び第３光導波路部が形成されている平面に沿って示す平面図である。また、図２は、波長合分波器の、図１に示すＩ−Ｉ線に沿って切り取った断面の切り口を矢印方向から見た端面図である。
【００２５】
なお、実際の波長合分波器では、図１に示す構造体において、波長合分波器の全面がクラッド内に埋め込まれて形成されている。しかし、この図１では、第１の実施の形態に係る特徴部分を明瞭に示すために、クラッドを省略して示している。
【００２６】
第１の実施の形態による波長合分波器１１は、第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７を具えている。
【００２７】
これら第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７は、同一平面に、多モードのプレーナ導波路としてそれぞれ形成されており、この順序で連続的かつ一体的に繋がって形成されている。
【００２８】
このように第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７を配設するために、これら第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７は、共通する１つの基板１９上に形成されている。
【００２９】
すなわち、基板１９は、単結晶Ｓｉによって構成されている。そして、この基板１９上には、ＳｉＯ２によって構成されているクラッド２１が積層されている。そして、第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７を含む波長合分波器１１は、基板１９の基板面１９ａに沿って、すなわち同一平面に沿って、クラッド２１内にＳｉを材料として埋め込まれている。
【００３０】
ここで、この実施の形態では、波長合分波器１１を上述した光加入者系システムにおいて使用する場合には、すなわち、上り光信号として例えば１．３１μｍの波長の光を、また、下り光信号として例えば１．４９μｍの波長の光を用いる場合には、第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７を含む波長合分波器１１を構成するＳｉの屈折率を好ましくは例えば３．５、また、クラッド２１を構成するＳｉＯ２の屈折率を好ましくは例えば１．４６に設定する。
【００３１】
また、第１の実施の形態では、波長合分波器１１を、縦方向、すなわち基板１９の厚み方向において単一モードの光導波路として構成する。そのために、一体的に形成されているこれら第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７の厚みＤ１は、好ましくは０．５μｍ以下、より好適には、０．３μｍに設定されている。
【００３２】
ここで、このような波長合分波器１１は、例えば周知のＳＯＩ基板を用意することによって、容易に製造することができる。
【００３３】
すなわち、まず、単結晶Ｓｉ層、ＳｉＯ２膜、及びＳｉ膜がこの順に積層されて構成されたＳＯＩ基板を用意する。そして、周知のエッチング技術を用いてＳｉ膜を部分的に除去することによって、このＳｉ膜の残存部分から、上述した第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７を形成する。しかる後、ＳＯＩ基板全面に、これら作り込まれた第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７を埋め込んでＳｉＯ２膜を堆積する。これによって、上述したような、単結晶Ｓｉ基板、すなわち基板１９上に、ＳｉＯ２で構成されたクラッド２１内に埋め込まれて、波長合分波器１１が形成される。
【００３４】
また、第１光導波路部１３は、第２光導波路部１５との境界１３ｂと対向する側面１３ａとして、第１入出力端１３ａを有している。そして、第１光導波路部１３は、この第１入出力端１３ａにおいて、単一モード光導波路である第１入出力光導波路２３を介して、上述した光加入者系システムにおける局側装置（図示せず）と光学的に接続されている。
【００３５】
なお、第１入出力光導波路２３と第１入出力端１３ａとの接続位置は、以下の条件に基づいて設計される。すなわち、第１入出力光導波路２３の接続位置は、当該第１入出力光導波路２３から第１入出力端１３ａへ入力され、第１入出力光導波路２３及び第２光導波路部１５を順次伝搬する光が、第２光導波路部１５と第３光導波路部１７との境界１５ａへ到達した際に、その波長に応じた干渉パターンが、第２光導波路部１５と、後述する第１サブ導波路２５または第２サブ導波路２７との接続位置で極大となるように設計される。
【００３６】
また、上り光信号として例えば１．３１μｍの波長の光を、また、下り光信号として例えば１．４９μｍの波長の光を用いる場合には、第１入出力光導波路２３は、波長合分波器１１と一体的に、０．３μｍの厚みで、かつ例えば０．３μｍの幅、すなわち第１入出力端１３ａに沿った幅で形成されているのが好ましい。
【００３７】
また、この第１の実施の形態による波長合分波器１１は、０次及び１次モードの励起光に対応した波長合分波器として構成されている。そのために、第１光導波路部１３は、０次及び１次モードの光を励起する光導波路として形成されている。すなわち、第１入出力端１３ａの、境界１３ｂに沿った幅Ｗ１は、０次及び１次モードの光を励起するように設定されている。なお、第１入出力端１３ａの幅Ｗ１の具体的な好適例については後述する。また、この実施の形態において、以下、境界１３ｂに沿った方向を幅方向、また、この幅方向に沿った寸法を幅と称する。また、この幅方向に直交し、かつ第１光導波路部１３、第２光導波路部１５、及び第３光導波路部１７が形成されている平面に沿った、すなわち基板面１９ａに沿った方向を長さ方向、そして、この長さ方向に沿った寸法を長さと称する。
【００３８】
また、第１光導波路部１３は、図１に示す構成例では、その平面形状がテーパ形状で、すなわち第１入出力端１３ａから第２光導波路部１５との境界１３ｂに向かって、連続的かつ直線的に幅方向に幅広となる台形形状、好ましくは等脚台形形状で形成されている。この台形は、例えば、互いに平行な上辺１３ａと、この上辺よりも長い下辺１３ｂと、さらに、これら上辺及び下辺の端間をそれぞれつなぐ互いに長さの等しい２つの側辺とを有している。また、第１光導波路部１３は、設計上の自由度の向上を目的として、上辺に対応する第１入出力端１３ａと第１入出力光導波路２３と間に、第１入出力端１３ａと等しい幅を有する矩形状の光導波路を追加的に含む構成としてもよい（図示せず）。
【００３９】
また、第２光導波路部１５は、図１に示す構成例では、その平面形状が矩形状の光導波路であり、かつ第１光導波路部１３との境界１３ｂにおいて、その第１の辺の長さに対応する幅Ｗ２と、第１光導波路部１３の下辺１３ｂの長さに対応する幅を揃えて形成されている。
【００４０】
また、第３光導波路部１７は、第１光導波路部１３と第２光導波路部１５との境界１３ｂと対向する、第２光導波路部１５の第２の辺１５ａ、すなわち境界１５ａにおいて、第２光導波路部１５と接続されている。
【００４１】
さらに、この第３光導波路部１７は、それぞれ平面形状が台形形状、より好ましくは等脚台形形状の第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７からなり、上辺と、この上辺よりも長い下辺と、これら上辺及び下辺の端間をそれぞれ繋ぐ互いに長さの等しい２つの側辺とを有している。
【００４２】
これら第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７は、互いに離間して、第２光導波路部１５と、第２の辺１５ａの一部分に対応する境界１５ａａ及び１５ａｂにおいてそれぞれ下辺を接続させている。
【００４３】
また、第１サブ導波路２５は、境界１５ａａと対向する一端（上述した上辺に対応する）として第２入出力端２５ａを、及び第２サブ導波路２７は、境界１５ａｂと対向する一端（上述した上辺に対応する）として第３入出力端２７ａを、それぞれ有している。
【００４４】
そして、第１サブ導波路２５は、第２入出力端２５ａにおいて、単一モード光導波路である第２入出力光導波路２９を介して、上述した光加入者系システムにおける加入者側装置（図示せず）と光学的に接続されている。また、第２サブ導波路２７は、第３入出力端２７ａにおいて、単一モード光導波路である第３入出力光導波路３１を介して、上述した光加入者系システムにおける加入者側装置と光学的に接続されている。これら第２入出力光導波路２９及び第３入出力光導波路３１は、設計に応じて、いずれか一方が上り光信号を加入者側装置から波長合分波器１１へ伝搬する上り用の光導波路として、また、他方が下り光信号を波長合分波器１１から加入者側装置へ伝搬する下り用の光導波路として、それぞれ使用される。
【００４５】
また、第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７は、それぞれ境界１５ａａ及び１５ａｂから第２入出力端２５ａ及び第３入出力端２７ａに向かって、連続的に幅狭となる形状で形成されている。
【００４６】
ここで、第２光導波路部１５から第３光導波路部１７へ、漏れを抑制して光を伝搬させるためには、第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７と第２光導波路部１５との境界１５ａａ及び１５ａｂの幅Ｗ３ａ及びＷ３ｂを、第２光導波路部１５の幅Ｗ２に応じて、可能な限り大きく設定するのが好ましい。そして、同様の理由から、第１サブ導波路２５及び第２光導波路部１５の接続位置と、第２サブ導波路２７及び第２光導波路部１５の接続位置との離間距離Ｗ４を、可能な限り小さく設定するのが好ましい。なお、これらＷ３ａ、Ｗ３ｂ、及びＷ４の具体的な好適例については後述する。
【００４７】
また、第２入出力端２５ａは、第２入出力光導波路２９と幅を揃えて形成されている。また、第３入出力端２７ａは、第３入出力光導波路３１と幅を揃えて形成されている。そして、上り光信号として例えば１．３１μｍの波長の光を、また、下り光信号として例えば１．４９μｍの波長の光を用いる場合には、第２入出力光導波路２９及び第３入出力光導波路３１は、波長合分波器１１と一体的に、０．３μｍの厚みで、かつ例えば０．３μｍの幅、すなわち第２入出力端２５ａ及び第３入出力端２７ａに沿った幅でそれぞれ形成されているのが好ましい。
【００４８】
上述した構成とすることによって、この第１の実施の形態による波長合分波器１１において、伝搬光、すなわち上り光信号及び下り光信号は、第１入出力端１３ａと第２入出力端２５ａとの間、及び第１入出力端１３ａと第３入出力端２７ａとの間を伝搬する。
【００４９】
このような波長合分波器１１を、偏波無依存で使用するためには、第１入出力端の幅Ｗ１、第１光導波路部１３の長さＳ、第２光導波路部１５の幅Ｗ２、及び第２光導波路部１５の長さＬを、使用する伝搬光の波長と波長合分波器１１及びクラッド２１を構成する材料に応じて、適宜設定する必要がある。以下、これら各寸法を決定するための条件について説明する。
【００５０】
０次及び１次モードの光を励起する光導波路において、この光導波路を伝搬する、ある波長の０次モードの光と１次モードの光との位相差は、この光導波路部の長さ、及び０次モードの光と１次モードの光との伝搬定数差の積で与えられる。そして、異なる幅及び長さの光導波路部が複数結合されて構成されている光学素子では、この光導波路を伝搬する、ある波長の０次モードの光と１次モードの光との位相差は、上述した長さ及び伝搬定数差の積の和によって与えられる。
【００５１】
従って、波長合分波器１１において、第１入出力端１３ａから入力され、第１光導波路部１３及び第２光導波路部１５を順次伝搬し、第２光導波路部１５と第３光導波路部１７との境界１５ａに到達した、ある波長、すなわち第１波長の、０次モードのＴＥ光と１次モードのＴＥ光との位相差ｍ１πは、次式（１）で与えられる。なお、波長合分波器１１において、第１光導波路部１３は、上述したようにテーパ形状で形成されているため幅が一定していない。そのため、第１光導波路部１３における０次モードの光と１次モードとの光との位相差については、長さ及び伝搬定数差の積ではなく位相変化量φを以って表す
φＴＥ１＋ΔβＴＥ１Ｌ＝ｍ１π （１）
ここで、φＴＥ１は、第１光導波路部１３において第１波長のＴＥ光に生じる位相変化量、ΔβＴＥ１は、第２光導波路部１５における、第１波長の、０次モードのＴＥ光の伝搬定数と１次モードのＴＥ光の伝搬定数との差、Ｌは、第２光導波路部１５の長さである。
【００５２】
このように与えられる位相差ｍ１πにおいて、係数ｍ１が整数となる場合には、ＴＥ光の干渉により光は、第１入出力端１３ａから入力され、第１光導波路部１３及び第２光導波路部１５をｍ１回蛇行しつつ伝搬し、第１サブ導波路２５または第２サブ導波路２７のいずれかに入力される。
【００５３】
また、同様に、波長合分波器１１において、第１入出力端１３ａから入力され、第１光導波路部１３及び第２光導波路部１５を順次伝搬し、第２光導波路部１５と第３光導波路部１７との境界１５ａに到達した、第１波長の、０次モードのＴＭ光と１次モードのＴＭ光との位相差ｍ２πは、次式（２）で与えられる。
【００５４】
φＴＭ＋ΔβＴＭＬ＝ｍ２π （２）
ここで、φＴＭは、第１光導波路部１３において第１波長のＴＭ光に生じる位相変化量、ΔβＴＭは、第２光導波路部１５における、第１波長の、０次モードのＴＭ光の伝搬定数と１次モードのＴＭ光の伝搬定数との差である。
【００５５】
このように与えられるｍ２πにおいて、係数ｍ２が整数となる場合には、ＴＥ光の干渉により光は、第１入出力端１３ａから入力され、第１光導波路部１３及び第２光導波路部１５をｍ２回蛇行しつつ伝搬し、第１サブ導波路２５または第２サブ導波路２７のいずれかに入力される。
【００５６】
従って、ｍ１πにおけるｍ１と、ｍ２πにおけるｍ２とが、ともに偶数又は奇数となる場合には、第１入出力端１３ａから入力される光、すなわち下り光信号は、ＴＥ光及びＴＭ光ともに、第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７のうち、同じ一方のサブ導波路に入力される。すなわち、偏波無依存で、下り光信号が第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７のうち、同じ一方のサブ導波路に入力される。
【００５７】
そこで、この第１の実施の形態による波長合分波器１１は、ｍ１とｍ２とがともに偶数または奇数となる、第１入出力端の幅Ｗ１、第１光導波路部の長さＳ、第２光導波路部の幅Ｗ２、及び第２光導波路部の長さＬが設定されている。
【００５８】
また、波長合分波器１１は、下り光信号と上り光信号とを合波及び分波するために、この第１波長とは異なる第２波長の光が、第１波長の光とは異なる経路を伝搬するように設計されている。すなわち、波長合分波器１１において、第１入出力端１３ａから入力される第１波長の光が、第１サブ導波路２５に入力される場合には、第１入出力端１３ａから入力される第２波長の光が、第２サブ導波路２７に入力され、また、第１入出力端１３ａから入力される第１波長の光が、第２サブ導波路２７に入力される場合には、第１入出力端１３ａから入力される第２波長の光が、第１サブ導波路２５に入力される。そして、光の伝搬経路は可逆であるため、これらいずれかの経路が成立する場合には、第２波長の光を上り光信号として使用することが可能となる。
【００５９】
そこで、波長合分波器１１は、第１波長及び第２波長の光を合分波するために、上述した条件に加えて、さらに以下の条件に基づいて形成されている。
【００６０】
第１入出力端１３ａから入力され、第１光導波路部１３及び第２光導波路部１５を順次伝搬し、第２光導波路部１５と第３光導波路部１７との境界１５ａに到達した第２波長の０次モードのＴＥ光と１次モードのＴＥ光との位相差ｍ３πは、次式（３）で与えられる。
【００６１】
φＴＥ２＋ΔβＴＥ２Ｌ＝ｍ３π （３）
ここで、φＴＥ２は、第１光導波路部１３において第２波長のＴＥ光に生じる位相変化量、ΔβＴＥ２は、第２光導波路部１５における、第２波長の、０次モードのＴＥ光の伝搬定数と１次モードのＴＥ光の伝搬定数との差、Ｌは、第２光導波路部１５の長さである。
【００６２】
このように与えられるｍ３πにおいて、係数ｍ３が整数となる場合には、上述した係数ｍ１及び係数ｍ２と同様に、ＴＥ光の干渉により光は、第１入出力端１３ａから入力され、第１光導波路部１３及び第２光導波路部１５をｍ３回蛇行しつつ伝搬し、第１サブ導波路２５または第２サブ導波路２７のいずれかに入力される。
【００６３】
従って、上述したｍ１πにおける係数ｍ１及びｍ２πにおける係数ｍ２が奇数の場合には、係数ｍ３を偶数とし、ｍ１πにおける係数ｍ１及びｍ２πにおける係数ｍ２が偶数の場合には、係数ｍ３を奇数とすることによって、第２波長の光は、第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７のうち、第１波長の光とは異なる一方のサブ導波路に入力される。
【００６４】
そこで、この第１の実施の形態による波長合分波器１１は、係数ｍ１と係数ｍ２とがともに奇数の場合には係数ｍ３が偶数となり、また、係数ｍ１と係数ｍ２とがともに偶数の場合には係数ｍ３が奇数となる、第１入出力端の幅Ｗ１、第１光導波路部の長さＳ、第２光導波路部の幅Ｗ２、及び第２光導波路部の長さＬが設定されている。
【００６５】
なお、波長合分波器１１を光加入者系システムにおいてＯＮＵとして使用する場合、加入者側装置から波長合分波器１１へ入力される上り光信号は、偏光が一定した状態で波長合分波器１１へ入力される。そのため、波長合分波器１１を偏波無依存で使用可能とするに当たり、上り光信号として使用する第２波長の光については、ＴＥ光について上述した条件の係数ｍ３を設定すればよい。
【００６６】
そして、波長合分波器１１をＯＮＵとして使用する場合には、上り光信号として１．３１の波長の伝搬光、及び下り光信号として１．４９μｍの波長の伝搬光に対応させて上述した各寸法を設定する。これら各波長の上り及び下り光信号を使用する場合には、例えば好ましくは、第１入出力端１３ａの幅Ｗ１を０．７５μｍ、第１光導波路部１３の長さＳを１５μｍ、第２光導波路部１５の幅Ｗ２を２．２μｍ、及び第２光導波路部１５の長さＬを６２μｍとする。その結果、係数ｍ１及び係数ｍ２が７．０となり、ともに奇数となるため、１．４９μｍの波長の下り光信号は、ＴＥ光及びＴＭ光ともに、第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７のうち、同じ一方のサブ導波路に入力される。また、このとき、係数ｍ３が６．０となり、係数ｍ１及び係数ｍ２とは異なり偶数となるため、例えば上り光信号として使用される１．３１μｍの波長のＴＥ光は、第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７のうち、１．４９μｍの波長の波長とは異なる一方のサブ導波路に入力される。
【００６７】
また、この設計例のように第１入出力端１３ａの幅Ｗ１を設定することによって、すなわち第１入出力端１３ａの幅Ｗ１を０．７５μｍとすることによって、第１光導波路部１３は、０次及び１次モードモードを励起する。また、この設計例において、波長合分波器１１を設計する場合には、第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７を、第２光導波路１５の第２の辺１５ａの幅方向の中点から等しい距離だけ離間させ、これら第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７と第２光導波路部１５との境界１５ａａ及び１５ａｂの幅Ｗ３ａ及びＷ３ｂをともに０．６μｍ、第１サブ導波路２５及び第２光導波路部１５の接続位置と、第２サブ導波路２７及び第２光導波路部１５の接続位置との離間距離Ｗ４を０．３μｍとするのが好ましい。そして、第１入出力光導波路２３を、第１入出力端１３ａの幅方向の中点から、０．１５μｍ離間した位置で第１光導波路部１３と接続するのが好ましい。
【００６８】
次に、上述した各寸法によって設計された波長合分波器１１の波長分離特性について、図３を参照して説明する。
【００６９】
図３は、第１の実施の形態による波長合分波器１１の波長分離特性の説明に供する特性図である。図３において、縦軸は、第１入出力端１３ａから入力され、第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７から出力される伝搬光の光強度を任意単位で目盛ってあり、横軸は波長をμｍ単位で目盛ってある。
【００７０】
また、図３は、第１入出力端１３ａから偏波成分としてＴＥ光及びＴＭ光を含む光を入力し、第１サブ導波路２５及び第２サブ導波路２７のそれぞれにおいて検出される光の強度を、波長を変化させながら計算したものである。計算に当たっては、３次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用いた。
【００７１】
なお、図３にいて、曲線３３は、第１サブ導波路２５から出力されるＴＥ光の光強度を示している。また、曲線３５は、第１サブ導波路２５から出力されるＴＭ光の光強度を示している。また、曲線３７は、第２サブ導波路２７から出力されるＴＥ光の光強度を示している。また、曲線３９は、第２サブ導波路２７から出力されるＴＭ光の光強度を示している。
【００７２】
図３における曲線３３及び曲線３５を参照すると、第１サブ導波路２５において出力されるＴＥ光及びＴＭ光の光強度は、１．４９μｍ付近の波長でピークを持ち、また、約１．３１μｍ付近の波長でボトムを持つ。従って、第１入出力端１３ａから入力された１．４９μｍ付近の光は、ＴＥ光及びＴＭ光ともに、すなわち偏波無依存で、第１サブ導波路２５に出力されることがわかる。
【００７３】
また、図３における曲線３７及び曲線３９を参照すると、第２サブ導波路２７において出力されるＴＥ光及びＴＭ光の光強度は、１．４９μｍ付近の波長でボトムを持ち、また、約１．３１μｍ付近の波長でピークを持つ。従って、第１入出力端１３ａから入力された１．３１μｍ付近の光は、ＴＥ光及びＴＭ光ともに、すなわち偏波無依存で、第２サブ導波路２７に出力されることがわかる。
【００７４】
なお、このシミュレーションを行った波長合分波器１１では、既に説明したように、上述した各寸法を決定する際の条件において、波長１．３１μｍのＴＭ光については考慮していない。そのため、第２サブ導波路２７から出力されるＴＭ光の強度を示す曲線３９は、第２サブ導波路２７から出力されるＴＥ光の強度を示す曲線３７と比して、波長１．３１μｍ付近のピークがわずかに低く、また、波長１．４９μｍ付近のボトムがわずかに高くなっている。しかしながら、上述したように、波長合分波器１１をＯＮＵとして使用する場合、加入者側装置から波長合分波器１１へ入力される上り光信号は、偏光が一定した状態で波長合分波器１１へ入力される。そのため、図３の曲線３７から明らかなように、波長合分波器１１では、上り光信号として使用する、波長１．３１μｍのＴＥ光について確実に波長分離特性が得られているため、この波長合分波器１１を問題なくＯＮＵとして使用することが可能である。
【００７５】
これらのことから、明らかなように、波長合分波器１１は、ＴＥ光及びＴＭ光の双方において波長を合分波することが可能であり、偏波無依存のＯＮＵとして使用することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１１：波長合分波器
１３：第１光導波路部
１３ａ：第１入出力端
１５：第２光導波路部
１７：第３光導波路部
１９：基板
２１：クラッド
２３：第１入出力光導波路
２５：第１サブ導波路
２５ａ：第２入出力端
２７：第２サブ導波路
２７ａ：第３入出力端
２９：第２入出力光導波路
３１：第３入出力光導波路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一平面にプレーナ導波路としてそれぞれ形成されている、第１入出力端を有する第１光導波路部、第２光導波路部、及び第２入出力端を有する第１サブ導波路と第３入出力端を有する第２サブ導波路とからなる第３光導波路部を具え、
該第１光導波路部、該第２光導波路部、及び該第３光導波路部はこの順序で連続的につながっており、
前記第１入出力端と前記第２入出力端との間、及び前記第１入出力端と前記第３入出力端との間で伝搬光が伝搬し、
前記第１光導波路部は、０次及び１次モードの光を励起し、かつ前記第１入出力端から前記第２光導波路部との境界に向かって、該境界に沿った幅方向に直線的に幅広となる形状で形成されており、
第１波長の伝搬光に対して、
前記第１光導波路部においてＴＥ光に生じる位相変化量をφＴＥ、前記第２光導波路部における、０次モードのＴＥ光の伝搬定数と１次モードのＴＥ光の伝搬定数との差をΔβＴＥ、及び前記第２光導波路部の、前記幅方向に直交しかつ前記平面に沿った長さをＬとしたとき、前記第１入出力端から入力され、前記第１光導波路部及び前記第２光導波路部を順次伝搬し、前記第２光導波路部と第３光導波路部との境界に到達した０次モードのＴＥ光と１次モードのＴＥ光との、次式（１）で与えられる位相差ｍ１π
φＴＥ１＋ΔβＴＥ１Ｌ＝ｍ１π （１）
における係数ｍ１と、
前記第１光導波路部においてＴＭ光に生じる位相変化量をφＴＭ、及び前記第２光導波路部における、０次モードのＴＭ光の伝搬定数と１次モードのＴＭ光の伝搬定数との差をΔβＴＭとしたとき、前記第１入出力端から入力され、前記第１光導波路部及び前記第２光導波路部を順次伝搬し、前記第２光導波路部と第３光導波路部との境界に到達した０次モードのＴＭ光と１次モードのＴＭ光との、次式（２）で与えられる位相差ｍ２π
φＴＭ＋ΔβＴＭＬ＝ｍ２π （２）
における係数ｍ２とが、ともに偶数又は奇数となる前記第１入出力端の幅、前記第１光導波路部の長さ、前記第２光導波路部の幅、及び前記第２光導波路部の長さが設定されている
ことを特徴とする波長合分波器。
【請求項２】
請求項１に記載の波長合分波器において、
さらに、前記第１波長とは異なる第２波長の伝搬光に対して、
前記第１光導波路部においてＴＥ光に生じる位相変化量をφＴＥ、前記第２光導波路部における、０次モードのＴＥ光の伝搬定数と１次モードのＴＥ光の伝搬定数との差をΔβＴＥとしたとき、前記第１入出力端から入力され、前記第１光導波路部及び前記第２光導波路部を順次伝搬し、前記第２光導波路部と前記第３光導波路部との境界に到達した０次モードのＴＥ光と１次モードのＴＥ光との、次式（３）で与えられる位相差ｍ３π
φＴＥ２＋ΔβＴＥ２Ｌ＝ｍ３π （３）
における係数ｍ３が、
前記ｍ１及び前記ｍ２が奇数の場合には偶数となり、また、前記ｍ１及び前記ｍ２が偶数の場合には奇数となる前記第１入出力端の幅、前記第１光導波路部の長さ、前記第２光導波路部の幅、及び前記第２光導波路部の長さが設定されている
ことを特徴とする波長合分波器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の波長合分波器において、
前記第１波長が、波長１．４９μｍである
ことを特徴とする波長合分波器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長合分波器において、
前記第２波長が、波長１．３１μｍである
ことを特徴とする波長合分波器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長合分波器において、
Ｓｉを材料として形成されている
ことを特徴とする波長合分波器。
【請求項１】
同一平面にプレーナ導波路としてそれぞれ形成されている、第１入出力端を有する第１光導波路部、第２光導波路部、及び第２入出力端を有する第１サブ導波路と第３入出力端を有する第２サブ導波路とからなる第３光導波路部を具え、
該第１光導波路部、該第２光導波路部、及び該第３光導波路部はこの順序で連続的につながっており、
前記第１入出力端と前記第２入出力端との間、及び前記第１入出力端と前記第３入出力端との間で伝搬光が伝搬し、
前記第１光導波路部は、０次及び１次モードの光を励起し、かつ前記第１入出力端から前記第２光導波路部との境界に向かって、該境界に沿った幅方向に直線的に幅広となる形状で形成されており、
第１波長の伝搬光に対して、
前記第１光導波路部においてＴＥ光に生じる位相変化量をφＴＥ、前記第２光導波路部における、０次モードのＴＥ光の伝搬定数と１次モードのＴＥ光の伝搬定数との差をΔβＴＥ、及び前記第２光導波路部の、前記幅方向に直交しかつ前記平面に沿った長さをＬとしたとき、前記第１入出力端から入力され、前記第１光導波路部及び前記第２光導波路部を順次伝搬し、前記第２光導波路部と第３光導波路部との境界に到達した０次モードのＴＥ光と１次モードのＴＥ光との、次式（１）で与えられる位相差ｍ１π
φＴＥ１＋ΔβＴＥ１Ｌ＝ｍ１π （１）
における係数ｍ１と、
前記第１光導波路部においてＴＭ光に生じる位相変化量をφＴＭ、及び前記第２光導波路部における、０次モードのＴＭ光の伝搬定数と１次モードのＴＭ光の伝搬定数との差をΔβＴＭとしたとき、前記第１入出力端から入力され、前記第１光導波路部及び前記第２光導波路部を順次伝搬し、前記第２光導波路部と第３光導波路部との境界に到達した０次モードのＴＭ光と１次モードのＴＭ光との、次式（２）で与えられる位相差ｍ２π
φＴＭ＋ΔβＴＭＬ＝ｍ２π （２）
における係数ｍ２とが、ともに偶数又は奇数となる前記第１入出力端の幅、前記第１光導波路部の長さ、前記第２光導波路部の幅、及び前記第２光導波路部の長さが設定されている
ことを特徴とする波長合分波器。
【請求項２】
請求項１に記載の波長合分波器において、
さらに、前記第１波長とは異なる第２波長の伝搬光に対して、
前記第１光導波路部においてＴＥ光に生じる位相変化量をφＴＥ、前記第２光導波路部における、０次モードのＴＥ光の伝搬定数と１次モードのＴＥ光の伝搬定数との差をΔβＴＥとしたとき、前記第１入出力端から入力され、前記第１光導波路部及び前記第２光導波路部を順次伝搬し、前記第２光導波路部と前記第３光導波路部との境界に到達した０次モードのＴＥ光と１次モードのＴＥ光との、次式（３）で与えられる位相差ｍ３π
φＴＥ２＋ΔβＴＥ２Ｌ＝ｍ３π （３）
における係数ｍ３が、
前記ｍ１及び前記ｍ２が奇数の場合には偶数となり、また、前記ｍ１及び前記ｍ２が偶数の場合には奇数となる前記第１入出力端の幅、前記第１光導波路部の長さ、前記第２光導波路部の幅、及び前記第２光導波路部の長さが設定されている
ことを特徴とする波長合分波器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の波長合分波器において、
前記第１波長が、波長１．４９μｍである
ことを特徴とする波長合分波器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長合分波器において、
前記第２波長が、波長１．３１μｍである
ことを特徴とする波長合分波器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長合分波器において、
Ｓｉを材料として形成されている
ことを特徴とする波長合分波器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−４３６６５（Ｐ２０１１−４３６６５Ａ）
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９１７２７（Ｐ２００９−１９１７２７）
【出願日】平成２１年８月２１日（２００９．８．２１）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２１日（２００９．８．２１）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
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