JP3643058B2 - 導波路形回折格子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れた分解能および高い回折効率を有する導波路形回折格子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、波長分割多重伝送システムにおいて、多重度を増やし伝送量を増大させようという試みがなされている。このような伝送システムにおいては、異なる波長の合分波を行うことが重要であり、これは特許公報第2599786号に述べられているAWG(Arryed Waveguide Grating)と言われるデバイスによって実現されている。当該特許に依れば、2つの二次元導波路を結合する複数の三次元導波路の長さを変えることによって、三次元導波路を伝搬した後の光の位相を各三次元導波路で異なるようにし、波長依存性角度分散を有することを特徴としている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、同特許の方法においては三次元導波路の長さを変えることを特徴としているために、どうしても三次元導波路が馬蹄形状に配置することを避けられず、デバイスの大型化を招いていた。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の導波路形回折格子は、2つの二次元導波路を結合する複数の三次元導波路の長さを互いに変えることなく、三次元導波路の光路上に位相制御素子を配置させることによって三次元導波路を伝搬させた後の光に所望の位相差を生じさせ、波長依存性角度分散を有することを特徴とする。
より具体的には、本発明は次の形態の導波路形回折格子を提供する。
(1)入力端を有する複数の第1の二次元導波路と、出力端を有する複数の第2の二次元導波路と、前記第1の二次元導波路と第2の二次元導波路を接続する複数の三次元導波路からなり、前記三次元導波路を伝搬した後の光の位相が各三次元導波路間で異なることにより波長依存性角度分散を有する導波路形回折格子において、前記三次元導波路が、前記第1の二次元導波路との接続端及び前記第2の二次元導波路との接続端の間でほぼ平行な直線状に配置され、且つ前記三次元導波路の光路上に、前記三次元導波路の出射部において各三次元導波路間に任意の位相差を生じさせる位相制御素子が、前記三次元導波路上に複数配置されており、前記位相制御素子の屈折率が三次元導波路の実効屈折率に対して大きいものと小さいものからなり且つ前記屈折率が大きいものは光路方向の厚さが光路を横切る方向に関して前記屈折率が小さいものとは逆向きに変化するように配置されていることを特徴とする。
ここに前記各位相制御素子はくさび形または階段形状である。
(2)本発明のさらに別の形態では、上記の複数の位相制御素子が、前記三次元導波路の一部を取り去り、そこに三次元導波路の屈折率とは異なった屈折率を持つ樹脂を埋め込むことによって形成されていることを特徴とする。
【0005】
【作用】
本発明の導波路形回折格子は、三次元導波路の光路上に位相制御素子を配置させることによって三次元導波路を伝搬させた後の光に所望の位相差を生じさせることにより、複数の三次元導波路の長さを互いに変える必要がないため、三次元導波路の配置を馬蹄形状にする必要がなく、直線形状で良いためデバイスの小型化を実現する。特に、光波の伝搬方向に垂直な方向であるデバイスの幅を大幅に縮小することが可能となる。ここに直線形状とは三次元導波路と第1及び第2の二次元導波路への接続端で必要なことがある小さい湾曲部を除いてほぼ直線形状であることを意味する。
【0006】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を説明するに先立ち、本発明と従来技術との差異を明確にするために、まず図1を用いて特許第2599786号に記載された従来技術について説明する。
【0007】
図1において、導波路基板1上に入力用三次元導波路2、第1の二次元導波路3、三次元導波路4、第2の二次元導波路5、出力用三次元導波路6が配置されている。第1の二次元導波路3および第2の二次元導波路5において、入力用三次元導波路2と出力用三次元導波路6はそれぞれ第1の二次元導波路3および第2の二次元導波路5のローランド円7上に端部がくるように配置され、三次元導波路4は第1の二次元導波路3および第2の二次元導波路5のそれぞれのローランド円7の直径を半径とする円上に端部がくるように配置されている。このため第1の二次元導波路3および第2の二次元導波路5はそれぞれコリメートレンズ、集光用レンズとして作用するよう設計されている。第1の二次元導波路3と第2の二次元導波路5を接続する複数の三次元導波路4の行路長は、隣接するものと△Lだけ異なるように設計してある。
光波が同位相で三次元導波路4に入射した場合、三次元導波路4を伝搬した後に第2の二次元導波路内で生じさせる回折光の回折角βは次式で与えられる。
a(sinα+sinβ)ns+△Lne=mλ…(1)
【0008】
ここで、aは第2の二次元導波路に結合する部分における複数の三次元導波路の間隔、αは入射角、nsは二次元導波路の屈折率である。neは三次元導波路の実効屈折率、mは回折次数、λは真空中での波長である。(sinα+sinβ)=0なる中心波長λ0においては次式が成立する。
m0=△Lne/λ0…(2)
従って、分解可能最小波長間隔△λは、導波路数をNとして次式で与えられる。
△λ=λ0/Nm0=λ0 2/neN△L…(3)
【0009】
このような構成において、異なる入力用三次元導波路2から入射した異なる光の混合光は第1の二次元導波路3によって平行光に変換され複数の三次元導波路4に導かれる。三次元導波路4を伝搬した後の混合光は第2の二次元導波路5内を伝搬する際、それぞれ前述した(1)式を満足する方向に回折し、第2の二次元導波路5によって収束され異なる位置に焦点を結ぶ。出力用三次元導波路の一端はあらかじめ各波長の光が収束する位置に配置されており、異なる波長の光はそれぞれ異なる出力用三次元導波路6内を伝搬し基板端に到達する。
【0010】
参考例1
図2を用いて参考例について述べる。
図2において、導波路基板1上に入力用三次元導波路2、第1の二次元導波路3、三次元導波路4、第2の二次元導波路5、出力用三次元導波路6、そして三次元導波路4の光路上には位相制御素子8が配置されている。第1の二次元導波路3および第2の二次元導波路5において、入力用三次元導波路2と出力用三次元導波路6はそれぞれ第1の二次元導波路3および第2の二次元導波路5のローランド円7上に端部がくるように配置され、三次元導波路4は第1の二次元導波路3および第2の二次元導波路5のそれぞれのローランド円7の直径を半径とする円上に端部がくるように配置されている。このため第1の二次元導波路3および第2の二次元導波路5はそれぞれコリメートレンズ、集光用レンズとして作用するよう設計されている。この参考例では三次元導波路4が、第1の二次元導波路3との接続端及び第2の二次元導波路5との接続端の間でほぼ平行な直線形状となるように配置され、三次元導波路4の光路上に位相制御素子8が配置されていることを特徴としている。位相制御素子8は、光波の伝搬方向に対してDの厚さを持ち、且つ、屈折率傾斜を持つものである。また、複数の三次元導波路を伝搬する隣接した光波が、位相制御素子の互いに△nだけ異なった屈折率の部分を通過するように、位相制御素子が配置されている。
【0011】
このため、光波が同位相で三次元導波路4に入射した場合、三次元導波路4を伝搬した後に第2の二次元導波路内で生じさせる回折光の回折角βは次式で与えられる。
a(sinα+sinβ)ns+ne△Z+D△n=mλ…(4)
ここで、aは第2の二次元導波路に結合する部分における複数の三次元導波路の間隔、αは入射角、mは回折次数、λは真空中での波長、△Zは第1および第2の二次元導波路をコリメート系にしたために生じる三次元導波路の長さの変化である。(sinα+sinβ)=0なる中心波長λ0においては次式が成立する。
m0=(ne△Z+D△n)/λ0…(5)
【0012】
従って、分解可能最小波長間隔△λは、導波路数をNとして次式で与えられる。
△λ=λ0/Nm0=λ0 2/N(ne△Z+D△n)…(6)
従来技術では△Lを確保するために基板サイズが数センチ角サイズに及ぶのに対し、△nによって位相差を確保するために基板サイズ、特に、光波の伝搬方向に垂直な方向であるデバイスの幅を確保することなく、従来技術と同様な特性を得ることが出来る。
なおコリメータレンズとして作用するローランド円の形に配列した複数の第1の二次元導波路3及び複数の第2の二次元導波路5への接続点では、三次元導波路4はローランド円7の直径を半径とする円上に直角に接続する必要があるので、その部分では三次元導波路は直線形でない。従って、三次元導波路がほぼ直線形に配置されるとは、これらの部分を除いた部分のことを指す。以下に述べる他の例でも同様である。また、この原理を使用しないで別にコリメータレンズを使用する場合には三次元導波路4は全体的にほぼ平行且つ直線形に配置できることはもちろんである。
【0013】
参考例2
図3に第2の参考例を示す。この例は参考例1の改良形である。
位相制御素子を三次元導波路の光路上に配置する場合、素子の厚さが厚い場合光波が再び三次元導波路に結合できず、デバイスの透過特性劣化の原因となる。この参考例では三次元導波路4の出射端での位相を制御すればよいため、薄い位相制御素子8を複数個(この例では5個)配置することにより、損失特性の劣化を引き起こすことなく、位相制御が可能となる。
【0014】
参考例3
図4に第3の参考例を示す。
この例においては、位相制御素子8が屈折率傾斜を持たず、厚さが変化したくさび形状をなしていることを特徴としている。このようなくさび形状の位相制御素子を用いた場合、第2の二次元導波路内での回折光の回折角βは次式を満たす。
a(sinα+sinβ)+ne△Z+n△D=mλ…(7)
ここで、△Dは隣接した三次元導波路が通過する位相制御素子の部分の厚さの差である。前記と同様に、(sinα+sinβ)=0なる中心波長λ0においては次式が成立する。
m0=(ne△Z+n△D)/λ0…(5)
【0015】
従って、分解可能最小波長間隔△λは、導波路数をNとして次式で与えられる。
△λ=λ0/Nm0=λ0 2/N(ne△Z+n△D)…(6)
【0016】
参考例4
図5は第4の参考例である。
この参考例は位相制御素子8の厚さが複数の三次元導波路の位置に対して階段状に変化していることを特徴としている。位相制御素子がこのような形状をしている場合でも式(5)を満たすことは自明である。この例の利点はくさび形に比べて三次元導波路への再結合が確実な点である。
【0017】
実施例
図6は本発明の実施例である。
位相制御素子を三次元導波路上に複数配置しても効果が得られることは前述したが、同じ位相制御素子が同一の向きで配置されると位相制御素子の厚い部分を通る三次元導波路を伝搬する光だけが散乱の影響を受ける。この問題に対して、たとえば三次元導波路の実効屈折率よりも高い屈折率を持った位相制御素子8を配置した場合には、光路方向の厚さが光路を横切る方向に関して素子8とは逆の向きに変化する、前記三次元導波路の実効屈折率よりも低い屈折率を持った位相制御素子8’を配置することにより、それぞれの三次元導波路を伝搬する光の散乱を平坦化することが出来る。
【0018】
前記位相制御素子は、三次元導波路の光路上に挿入することによって配置されるのみならず、光路上に形成された溝に屈折率制御された樹脂を埋め込むことによって形成することも可能である。このような構成にすることにより、位相制御素子の形成が非常に容易になり、デバイスの製造コストを抑えることが可能となる。
【0019】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の導波路型回折格子は、複数の三次元導波路の光路上に位相制御素子を配置させることによって、光の位相を各三次元導波路間で異ならせる構成であるから、従来技術に比べて基板の大きさによる制限が大幅に小さくなる。このため、従来、基板全体からのデバイスの取り数が数個であったのに対して、数十個となるため、デバイス単価の低減に寄与が大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来技術の導波路形回折格子の構成図である。
【図2】 第1の参考例による導波路形回折格子の構成図である。
【図3】 第2の参考例による導波路形回折格子の構成図である。
【図4】 第3の参考例による導波路形回折格子を示す構成図である。
【図5】 第4の参考例による導波路形回折格子を示す構成図である。
【図6】 本発明の実施例による導波路形回折格子を示す構成図である。
【符号の説明】
1 導波路基板
2 入力用三次元導波路
3 第1の二次元導波路
4 三次元導波路
5 第2の二次元導波路
6 出力用三次元導波路
7 ローランド円
8、8’ 位相制御素子
Claims (3)
- 入力端を有する複数の第1の二次元導波路と、出力端を有する複数の第2の二次元導波路と、前記第1の二次元導波路と第2の二次元導波路を接続する複数の三次元導波路からなり、前記三次元導波路を伝搬した後の光の位相が各三次元導波路間で異なることにより波長依存性角度分散を有する導波路形回折格子において、前記三次元導波路が、前記第1の二次元導波路との接続端及び前記第2の二次元導波路との接続端の間でほぼ平行な直線形状に配置され、且つ前記三次元導波路の光路上に、前記三次元導波路の出射部において各三次元導波路間に任意の位相差を生じさせる位相制御素子が、前記三次元導波路上に複数配置されており、前記位相制御素子の屈折率が、三次元導波路の実効屈折率に対して大きいものと小さいものからなり且つ前記屈折率が大きいものは光路方向の厚さが光路を横切る方向に関して前記屈折率が小さいものとは逆向きに変化するように配置されていることを特徴とする導波路形回折格子。
- 前記各位相制御素子がくさび形または階段形状である請求項1に記載の導波路型回折格子。
- 前記位相制御素子が、前記三次元導波路の一部を取り去り、そこに三次元導波路の屈折率とは異なった屈折率を持つ樹脂を埋め込むことによって形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の導波路形回折格子。
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