JP3735024B2 - 光合分波器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）伝送システムに波長選択素子として適用可能なアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）型の光合分波器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＡＷＧ型の光合分波器（以下、ＡＷＧ回路という）は、干渉による特定波長の取り出しあるいは挿入を可能にする波長フィルタとしてＷＤＭ伝送システムにおける波長選択素子に広く利用されている。また、ＡＷＧ回路は、回折格子ほどの精密な機械加工や、干渉膜ほどの精密な多層膜形成が不要で、リソグラフィやエッチングなどの一般的な微細加工プロセスで実現できることから、他の光導波路素子との集積の可能性とも併せて今後のＷＤＭ伝送システムの中心的な光学部品としてその発展が期待されている。
【０００３】
このようなＡＷＧ回路は、単一基板上に、入力導波路、入力用スラブ導波路、それぞれ長さの異なるチャネル導波路（フェーズドアレイ）、出力用スラブ導波路、出力導波路が一体的に作り込まれた構造を備える。
【０００４】
また、従来のＡＷＧ回路に対しては種々の改良が提案されており、例えば信号チャネル間の損失バラツキを低減するため（透過帯域の平坦化）、M.R.Amersfoort, et al.,"Passband broadening of integrated arrayed waveguide filters using multimode interference couplers", ELECTRONICS LETTERS 29th Feb., 1996, Vol. 32, No. 5には、入力導波路と入力側スラブ導波路との接続部分に図１２（ａ）に示されたような形状のマルチモード干渉型カプラ（MMI coupler: MultiMode Interference coupler、以下ＭＭＩカプラという）が設けられたＡＷＧ回路（第１従来例）が開示されている。特開平９−２９７２２８号には、入力導波路と入力側スラブ導波路との接続部分に図１３（ａ）に示されたようなパラボリック形状導波路が設けられたＡＷＧ回路（第２従来例）が開示されている。さらに、日本国特許第３０３９４９１号には、入力導波路と入力側スラブ導波路との接続部分にテーパー形状導波路とパラボリック形状導波路とを組み合わせた構造の導波路が設けられたＡＷＧ回路（第３従来例）が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような構造を備えた従来のＡＷＧ回路（第１〜第３従来例）について検討した結果、発明者は以下のような課題を発見した。すなわち、第１従来例に係るＡＷＧ回路は、入力導波路と入力用スラブ導波路との接続部分に図１２（ａ）に示されたような矩形形状のＭＭＩカプラが設けられている。この第１従来例に係るＡＷＧ回路において、入力導波路を伝搬してきた光の電界強度分布は、図１２（ｂ）に示されたように、上記ＭＭＩカプラが精密に加工された場合であっても該ＭＭＩカプラ中を伝搬している間に著しく乱れてしまう。この電界強度分布の乱れは、主にＭＭＩカプラ内での多重反射に起因しているが、製造されるＡＷＧ回路それぞれで安定した光学特性を得るためには、該ＭＭＩカプラの幅や長さなどの加工にはより厳しい精度が要求される。
【０００６】
一方、上記第２従来例に係るＡＷＧ回路は、いずれも図１３（ａ）に示されたようなパラボリック形状導波路が設けられている。このＡＷＧ回路において、該パラボリック形状導波路中を伝搬する光の電界強度分布は、図１３（ｂ）に示されたように、当該パラボリック形状導波路内での多重反射の影響が低減されているため、ほとんど乱れることはない。しかしながら、当該パラボリック形状導波路内を伝搬するに従って伝搬光の電界強度分布は拡がっていく（電界強度分布のピーク間隔が徐々に拡がる）。このように、パラボリック形状導波路は、その光出力端面付近でも側面の傾きｄｙ／ｄｘ（図１２（ａ）ではパラボリック形状導波路の長手方向をｙ軸とし、該長手方向に対して垂直方向をｘ軸としている）が小さいので、この第２従来例においても十分な加工精度等が達成されていなければ製造されるＡＷＧ回路それぞれに光学特性のバラツキが生じる可能性がある。このことは、同様のパラボリック形状導波路を備えた第３従来例に係るＡＷＧ回路についても言える。
【０００７】
この発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、信号チャネル間における損失バラツキの低減等、透過波長特性の改善を実現するために要求される加工精度等を緩和する構造、すなわち製造トレランスを高める構造を備えた光合分波器を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る光合分波器は、基板と、該基板上にそれぞれ設けられた、１又はそれ以上の入力導波路、第１スラブ導波路、複数のチャネル導波路、第２スラブ導波路、及び各信号チャネルごとに設けられた複数の出力導波路とを備え、ＷＤＭ伝送システムに波長選択素子として適用可能なＡＷＧ型の光合分波器である。
【０００９】
この発明に係る光合分波器において、上記第１及び第２スラブ導波路は、それぞれ所定のスラブ長を有する。なお、スラブ長は、一般的に各スラブ導波路のレンズ面として機能する光入力端の焦点距離に相当する。また、上記入力導波路は、信号チャネルとして所定波長間隔ごとに設定されたチャネル波長を有する信号それぞれを第１スラブ導波路に導くための導波路であって、第１スラブ導波路の光入力端面にその光出力端が接続されている。上記チャネル導波路は、互いに異なる長さを有する導波路であって、入力導波路とともに第１スラブ導波路を挟むように該第１スラブ導波路の光出力端面にそれぞれの光入力端が接続される一方、出力導波路とともに第２スラブ導波路を挟むように該第２スラブ導波路の光入力端面にそれぞれの光出力端が接続された状態で基板上に平面的に配列されている。さらに、上記出力導波路は、第２スラブ導波路の光出力端面にそれぞれの光入力端が接続された状態で基板上に平面的に配列された導波路であって、所定波長間隔ごとに設定されたチャネル波長を有する信号それぞれを個別に取り出すための導波路である。
【００１０】
特に、この発明に係る光合分波器は、上記入力導波路と第１スラブ導波路との間に設けられた導波路であって、該入力導波路を伝搬してきた光の基底モードの一部を高次モードに結合させるための自由伝搬領域を備える。この自由伝搬領域は、入力導波路の光出力端から該第１スラブ導波路の光入力端面に向かって幅が増加するよう所定の曲線に沿って伸びた側面を有する第１部分と、該第１部分と該第１スラブ導波路との間に設けられかつ該入力導波路よりも大きい幅を有する第２部分から構成されている。したがって、第１部分は、回折効果により該入力導波路の光出力端から第１スラブ導波路の光入力端面に向かって伝搬する光の電界強度分布を拡げるよう機能する。一方、第２部分は、互いに略平行な側面を有する導波路であり、該第１部分を通過した光の電界強度分布の拡がりを制限するよう機能する。入力導波路と第１スラブ導波路との間に配置される自由伝搬領域を以上のような構造を有する第１及び第２部分で構成することにより、所望の光学特性、例えば透過波長特性の改善（信号チャネル間における損失バラツキの低減）を実現するために要求される製造誤差の許容範囲がより広くなり、微細加工等の要求精度が緩和される。
【００１１】
なお、上記所定の曲線は、指数関数で表される曲線であることが好ましい。特に、上記第２部分もこの曲線に沿って側面が伸びるよう加工すれば、上記自由伝搬領域を連続した側面を有する導波路として形成することができるからである。この場合、該自由伝搬領域の側面は、該自由伝搬領域の光入力端面から離れるに従って略平行な関係により近づくため、該自由伝搬領域における入力導波路側が上記第１部分として機能し、該自由伝搬領域における第１スラブ導波路側が上記第２部分として機能する。
【００１２】
上記曲線としては、一例として、以下の式によって与えられる。すなわち、基板表面に一致するｘ−ｚ座標系において、ｘ軸に平行な面である第１部分の光入力端面及び光出力端面における各中心点（ｘs，ｚs）、（ｘe，ｚe）を通過する基準線Ｘｐ（ｚ）は、
【００１３】
【数４】
なる式で与えられ、第１部分のｘ軸に平行な幅ｗ（ｚ）は、
【数５】
ｗｓ：第１部分の光入力端面の幅
ｗｅ：第１部分の光出力端面の幅
α ：指数係数（α＞０）
なる式で与えられ、このとき曲線は
【数６】
なる式で与えられる（図４参照）。ただし、第１及び第２部分のいずれも以上のように定義された曲線に沿って側面が伸びるよう、自由伝搬領域が一体的に加工される場合、すなわち、ｗｅが該自由伝搬領域の光出力端面の幅である場合、幅が（１−Δ）ｗｅ〜ｗｅである部分（第１スラブ導波路の光入力端面の法線方向とｚ軸が一致する場合には上記曲線の傾きｄｚ／ｄｘの絶対値がｗｅ／λ０以上となる部分）が第２部分として機能する。ただし、Δはスカラ量λ０／ｗｅで与えられる微小変化率であって、λ０は中心チャネル波長である。
【００１４】
さらに、この発明に係る光合分波器において、上記基板上に設けられた導波路（上述の入力導波路、自由伝搬領域、第１及び第２スラブ導波路、チャネル導波路、出力導波路などを含む）に相当するコアと、該コアを覆うように該基板上に設けられたクラッドとの比屈折率差は１％以上であることが好ましい。加えて、上記入力導波路、上記チャネル導波路、上記出力導波路は、いずれも５．５μｍ以下の幅（コア幅）を有するのが好ましい。コア（各導波路に相当）への光の閉じ込め効果が大きくなり、自由伝搬領域などの微細加工等の要求精度がより緩和されるからである。また、光の閉じ込め効果の向上によりコア幅をより小さくすることが可能になるため、より多くのチャネル導波路を基板上に設けることができるからである。いわゆる「埋め込み限界」と呼ばれる製造プロセス上の制約として、隣接するコアの理論上の最小間隔をより小さくすることができるので、光学特性の優れた光合分波器が得られる。
【００１５】
この発明に係る光合分波器は、上記入力導波路の光出力端と上記自由伝搬領域における第１部分の光入力端との間に設けられたＭＭＩカプラをさらに備えてもよい。このような構造は、従来の光合分波器と比較して微細加工等の要求精度をより緩和させることを可能にするとともに、当該光合分波器の透過波長特性をさらに改善させることを可能にする。
【００１６】
なお、入力導波路と第１スラブ導波路との間に自由伝搬領域が設けられた構造、及び該自由伝搬領域とともにＭＭＩカプラが設けられた構造のいずれにおいても、上記入力導波路の光出力端は、上記第１スラブ導波路の光入力端面から２．０μｍ以上離間していること、すなわち、該自由伝搬領域あるいは該自由伝搬領域とＭＭＩカプラのいずれかの全長が２．０μｍ以上であるのが好ましい。これにより、自由伝搬領域と第１スラブ導波路との接続部分に生じ易い加工なまり（この接続部分を構成する自由伝搬領域の光出力端面近傍及び第１スラブ導波路の光入力端面近傍の両方で形状がなまってしまう）を抑制すると同時に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）技術やＦＨＤ（Flame Hydrolysis Deposition）技術を利用してコア隙間へのクラッド埋め込み性の良好な自由伝搬領域を製造することができるからである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る光合分波器の各実施形態を、図１〜図１１を参照しながら説明する。なお、各図において、同一部分には同一の番号を付して重複する説明は省略する。
【００１８】
図１は、この発明に係る光合分波器の構成を示す平面図である。この図１に示されたように、当該光合分波器は、石英ガラス基板１００上に光導波路部分が一体的に形成された光部品である。すなわち、基板１００上には、１又はそれ以上の入力導波路１１０、第１スラブ導波路１２０（入力用スラブ導波路）、複数のチャネル導波路１３０、第２スラブ導波路１４０（出力用スラブ導波路）及び複数の出力導波路１５０が設けられている。特に、この発明に係る光合分波器では、入力導波路１１０と第１スラブ導波路１２０との間に特殊な形状を有する自由伝搬領域１６０が設けられていることを特徴としている。
【００１９】
上記第１スラブ導波路１２０は、当該光合分波器へ入力される光の入射角度に対して角度θをなすよう配置されており、また、第１及び第２スラブ導波路１２０、１４０は、スラブ長ｆを有する。なお、スラブ長は、第１及び第２スラブ導波路１２０、１４０おのおのにおける光入力端面に位置する凸レンズ面の焦点距離に相当する。また、上記入力導波路１１０は、信号チャネルとして所定波長間隔ごとに設定されたチャネル波長を有する各信号を第１スラブ導波路１２０に導くための導波路であって、この入力導波路１１０の光出力端は第１スラブ導波路１２０に光入力端面に接続されている。上記チャネル導波路１３０は、互いに異なる長さを有する導波路であって、基板１００上に平面的に配列されている。これらチャネル導波路１３０は、入力導波路１１０とともに第１スラブ導波路１２０を挟むように該第１スラブ導波路１２０の光出力端面にそれぞれの光入力端が間隔ｄごとに離間した状態で接続される一方、出力導波路１５０とともに第２スラブ導波路１４０を挟むように該第２スラブ導波路１４０の光入力端面１４０ａにそれぞれの光出力端が間隔ｄごとに離間した状態で接続されている。さらに、上記出力導波路１５０は、第２スラブ導波路１４０の光出力端面に光入力端が接続された状態で上記基板１００上に平面的に配列された導波路であって、所定波長間隔ごとに設定されたチャネル波長を有する各信号に対応して、すなわち各信号チャネルに対応して設けられている。なお、図１に示された光合分波器は、入力導波路１１０、第１スラブ導波路１２０、チャネル導波路１３０、第２スラブ導波路１４０及び出力導波路１５０の順に光が伝搬する４０チャネルの信号分離を可能にするＡＷＧ回路として説明されているが、各信号チャネルに対応して複数の入力導波路を設けることにより、信号合波を可能にするＡＷＧ回路も実現できる。
【００２０】
（第１実施形態）
図２は、この発明に係る光合分波器の第１実施形態における光入力部分（図１の光入力部分に相当）の導波路構成を示す平面図である。この第１実施形態に係る光合分波器において、自由伝搬領域１６０は、入力導波路１１０中を伝搬してきた光の基底モードの一部を高次モードに結合するための導波路として機能する。また、自由伝搬領域１６０は、入力導波路１１０を伝搬してきた光の電界強度分布を拡げるための第１部分１６１と、この第１部分を伝搬してきた光の電界強度分布の拡がりを制限するための第２部分１６２により構成されている。
【００２１】
なお、図２に示された自由伝搬領域１６０の形状は、第１スラブ導波路１２０の光入力端面に対して法線方向をｚ軸とし、該法線に直交する方向をｘ軸としたｘ−ｚ座標平面（基板１００の表面に一致）上に投影されている。第１部分１６１は、入力導波路１１０の光出力端面に面した幅ｗsの光入力端面（当該自由伝搬領域１６０の光入力端面１６０ａと一致）と幅ｗeの光出力端面を有するとともに、その側面は幅ｗ（ｚ）が増加するよう所定の曲線に沿って伸びている。一方、第２部分１６２は、第１部分１６１の光出力端面に面した光入力端面と第１スラブ導波路１２０の光入力端面に面した光出力端面（当該自由伝搬領域１６０の光出力端面１６０ｂと一致）とを有し、その側面は幅ｗeで互いに略平行に伸びている。このように、自由伝搬領域１６０が上記第１及び第２部分１６１、１６２で構成されることにより、所望の光学特性、例えば透過波長特性の改善（信号チャネル間における損失バラツキの低減）を実現するために要求される製造誤差の許容範囲がより広くなり、微細加工等の要求精度が緩和される。
【００２２】
なお、図３は、図１中の線Ｉ−Ｉに沿った当該光合分波器、特に自由伝搬領域１６０近傍の断面構造を示す図であり、石英ガラス基板１００上には入力導波路１１０、第１スラブ導波路１２０、チャネル導波路１３０、第２スラブ導波路１４０、出力導波路１５０、及び自由伝搬領域１６０などに相当するコア、該コアを覆うクラッド１０２が設けられている。導波路として機能するコアにはＧｅＯ2が添加されており、該ＧｅＯ2の添加量は、チャネル導波路１３０の曲率半径の低減及び導波路間隔の低減を可能にするため（光の閉じ込め効率の向上）、コアとクラッドとの比屈折率差は１％以上である。基板１００は、石英ガラス基板に代え、シリコン基板と該シリコン基板上に成膜されたガラス層とを備えた構造であってもよい。このガラス層の上にＧｅＯ2が添加されたコア（導波路）を形成することによっても同様の作用・効果が得られる。
【００２３】
この第１実施形態では、上記第１部分１６１とともに上記第２部分１６２も指数関数で表される曲線に沿って側面が伸びるよう加工することで、上記自由伝搬領域１６０が連続した側面を有する導波路として形成されている。この場合、該自由伝搬領域１６０の側面は、該自由伝搬領域１６０の光入力端面１６０ａから離れるに従って略平行な関係により近づくため、該自由伝搬領域１６０における入力導波路１１０側が上記第１部分１６１として機能するとともに、該自由伝搬領域１６０における第１スラブ導波路１２０側が上記第２部分１６２として機能する。
【００２４】
図４は、上記曲線の一例を説明するための図である。この図に示された自由伝搬領域１６０の形状は、第１スラブ導波路１２０の光入力端面に対して法線方向をｚ軸とし、該法線に直交する方向をｘ軸としたｘ−ｚ座標平面（基板１００の表面に一致）上に投影されている。また、図４に示された自由伝搬領域１６０は、その中心軸が第１スラブ導波路１２０の光入力端面に対して所定角度だけ傾いている。なお、図２には、その中心軸と第１スラブ導波路１２０の光入力端面とが直交する自由伝搬領域１６０が示されている。
【００２５】
すなわち、基板１００の表面に一致するｘ−ｚ座標系において、ｘ軸に平行な面である自由伝搬領域１６０の光入力端面１６０ａ（第１部分１６１の光入力端面に一致）及び光出力端面１６０ｂ（第２部分１６２の光出力端面に一致）における各中心点（ｘs，ｚs）、（ｘe，ｚe）を通過する基準線Ｘｐ（ｚ）は、
【００２６】
【数７】
なる式で与えられ、当該自由伝搬領域１６０のｘ軸に平行な幅ｗ（ｚ）は、
【数８】
ｗｓ：自由伝搬領域１６０の光入力端面１６０ａの幅
ｗｅ：自由伝搬領域１６０の光出力端面１６０ｂの幅
α ：指数係数（α＞０）
なる式で与えられ、自由伝搬領域１６０の側面形状を規定する曲線は
【数９】
なる式で与えられる。このとき、自由伝搬領域１６０の光入力端面１６０ａからｘ軸方向の幅が（１−Δ）ｗｅとなる領域までが第１部分１６１に相当し、ｘ軸方向の幅が（１−Δ）ｗｅ〜ｗｅの領域が第２部分１６２に相当する。また、第１スラブ導波路１２０の光入力端面の法線方向とｚ軸が一致する場合は、上記曲線Ｘｌ（ｚ）及びＸｕ（ｚ）の各傾きｄｚ／ｄｘの絶対値がｗｅ／λ０までの領域が第１部分１６１に相当し、傾きｄｚ／ｄｘの絶対値がｗｅ／λ０以上となる領が第２部分に相当する。ただし、Δはスカラ量λ０／ｗｅで与えられる微小変化率であって、λ０は中心チャネル波長（μｍ）である。
【００２７】
次に、発明者は信号波長間隔Δλが１００ＧＨｚ、中心チャネル波長（ＣＨ２０）が１．５３０５μｍである４０チャネル信号分離を可能にするＡＷＧ回路を設計した。
【００２８】
設計されたＡＷＧ回路において、基板１００と各導波路部分との比屈折率差は１．５％、スラブ長ｆは８０００μｍ、各導波路の幅（コア幅）は４．３μｍ、第１及び第２スラブ導波路１２０、１４０のスラブ長は８０００μｍ、基板１００のサイズは２０ｍｍ×２０ｍｍ、基板１００の厚みは０．５ｍｍ、チャネル導波路１３０の端部間隔ｄは１２．０μｍ、チャネル導波路１３０の本数は１８０、第１スラブ導波路１２０の設置角度θは８０゜、各チャネル導波路１３０間の長さの差ΔＬは３６．７０２μｍに設定されている。
【００２９】
なお、第１実施形態として設計されたＡＷＧ回路の第１サンプルにおける自由伝搬領域１６０は、図５（ａ）に示されたような平面形状を有しており、その側面は、指数係数αが＋１．４、光入力端面１６０ａの幅ｗsが４．３μｍ、光出力端面１６０ｂの幅ｗeが２０μｍ、全長が１８０μｍであるとき数式９で与えられる曲線Ｘl（ｚ）及びＸu（ｚ）それぞれに沿って伸びる形状を有する。ただし、ｗeは２０μｍ、中心チャネル波長は１．５３０５μｍであることから、Δ＝λ0／ｗeは０．０７６５２５となる。したがって、この第１サンプルにおいて、幅ｗs（＝４．３μｍ）の光入力端面１６０ａから幅（１−０．０７６５２５）×２０μｍとなる領域までが当該自由伝搬領域１６０の第１部分１６１に相当し、幅（１−０．０７６５２５）×２０μｍとなる位置から幅２０μｍの光出力端面１６０ｂ間での領域が当該自由伝搬領域１６０の第２部分１６２に相当する。
【００３０】
一方、比較例として設計されたＡＷＧ回路の第２サンプルは、図５（ｂ）に示されたように、自由伝搬領域が存在せず、幅４．３μｍの入力導波路１１０が直接第１スラブ導波路１２０に接続された構造を備える。
【００３１】
図６は、上述のように設計された第１サンプルについて、第２０番目の出力導波路（ＣＨ２０）を中心とした各出力導波路における損失スペクトルの測定結果を示している。また、図７は、上述のように設計された第２サンプルについて、第２０番目の出力導波路（ＣＨ２０）を中心とした各出力導波路における損失スペクトルの測定結果を示している。これら図６及び図７を比較すると、第１実施形態に係る第１サンプルの方が、各チャネル波長間の損失バラツキが低下していることが分かる。
【００３２】
次に、このように各チャネル間における損失バラツキの低減など透過波長特性が改善される構造を備えた第１実施形態に係る光合分波器について、製造誤差と特性変化の関係を説明する。
【００３３】
一般に、ＡＷＧ回路の製造では、フォトリソグラフィ工程やエッチング工程などで寸法誤差（加工誤差）が生じたり、また、膜付け工程で導波路であるコアとクラッドとの比屈折率差Δｎの設計値からのずれが生じ、得られたＡＷＧ回路の光学特性が劣化する可能性がある。このことは、定性的に図８（ａ）〜図８（ｃ）により説明される。
【００３４】
すなわち、導波路であるコアの幅が適正値よりも狭くなりかつ比屈折率差Δｎが適正値よりも低くなったＡＷＧ回路では、あるＣＨの出力導波路における透過スペクトルには、図８（ａ）に示されたように、いくつかのピークが現れる。また、コアの幅及び比屈折率差Δｎとの適正値であるＡＷＧ回路では、あるＣＨの出力導波路における透過スペクトルは、図８（ｂ）に示されたように、ピーク付近が平坦になる。逆に、コアの幅が適正値よりも広くなりかつ比屈折率差Δｎが適正値よりも高くなったＡＷＧ回路では、あるＣＨの出力導波路における透過スペクトルは、図８（ｃ）に示されたように、よりピークが高くなる。
【００３５】
このように、適正値で設計されたＡＷＧ回路であっても、実際の製造では製造誤差をなくすことは現実的ではない。むしろ、加工精度等の許容度を高くする方がより現実的である。
【００３６】
そこで、発明者は、特開平９−２９７２２８号公報に示されたパラボリック形状導波路を有するＡＷＧ回路と、この従来のＡＷＧ回路と同じ条件で製造された第１実施形態に係るＡＷＧ回路の各製造トレランスについて検証した。なお、従来のＡＷＧ回路におけるパラボリック形状導波路は、上記特開平９−２９７２２８号公報の図６に示されたような平面形状を有しており、その構造パラメータは、光入力端面の幅が７μｍ、パラボリック形状を規定するパラメータＡが１．０、全長が２５０μｍである。一方、第１実施形態に係るＡＷＧ回路において、自由伝搬領域は、図５（ａ）に示されたような平面形状を有しており、その側面は、指数係数αが＋２．１、光入力端面の幅が７μｍ、光出力端面の幅が３２μｍ、全長が５００μｍであるとき数式９で与えられる曲線Ｘl（ｚ）及びＸu（ｚ）それぞれに沿って伸びる形状を有する。
【００３７】
以上のように構成された従来のＡＷＧ回路と第１実施形態に係るＡＷＧ回路についての測定結果が図９に示されている。この図９中の横軸は、導波路であるコア幅の誤差（μｍ）を示し、縦軸は、ＣＨの出力導波路における透過スペクトルのピーク平坦度（ｄＢ）を示している。なお、透過スペクトルの平坦度は、図８（ａ）に示された透過強度ａとｂの差によって与えられる。また、図９中、グラフＧ１００は、第１実施形態に係るＡＷＧ回路についての測定結果、グラフＧ２００は、従来のＡＷＧ回路についての測定結果をそれぞれ示している。
【００３８】
図９に示された測定結果からも分かるように、グラフＧ２００と比較してグラフＧ１００の方がより平坦な範囲が広く、すなわち製造トレランスが高いことは明らかである。
【００３９】
従来のＡＷＧ回路におけるパラボリック形状導波路の場合、図１０（ａ）に示されたように、該導波路部の幅が入力導波路と接続された光入力端面からスラブ導波路に接続された光出力端面に向かって大きくなっているため、入力導波路を伝搬した光の電界強度分布は、該光の伝搬とともに拡がってしまう。このことから、従来のＡＷＧ回路におけるパラボリック形状導波路は、導波路幅の誤差変動の影響をより受けやすい構造であることが分かる。
【００４０】
一方、第１実施形態に係るＡＷＧ回路では、図１０（ｂ）に示されたように、入力導波路１１０を伝搬した光の電界強度分布は、自由伝搬領域１６０の第１部分１６１において一旦拡がるものの、第２部分１６２においてその拡がりが制限されている。このように、第２部分ではもともと伝搬光の電界強度分布の変動が起こり難くなっているので、導波路幅の誤差変動の影響は受けにくい。このことからも、この発明に係る光合分波器によれば、従来技術よりも遥かに微細加工等の要求精度が緩和されることが分かる。
【００４１】
（第２実施形態）
次に、図１１は、この発明に係る光合分波器の第２実施形態における光入力部分（図１の光入力部分に相当）の導波路構成を示す平面図である。
【００４２】
この第２実施形態も、基本的な構造は第１実施形態と同じであるが、入力導波路１１０の光出力端と自由伝搬領域１６０における第１部分１６１の光入力端（自由伝搬領域１６０の光入力端面１６０ａに一致）との間に、ＭＭＩカプラ１７０が設けられた点で異なっている。このような構造が図１に示されたようなＡＷＧ回路に採用されることにより、従来のＡＷＧ回路よりも製造トレランスが高く、また、透過波長特性もさらに改善可能なＡＷＧ回路が得られる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、透過波長特性を改善するための導波路であって、入力導波路から第１スラブ導波路に向かって幅が増加するよう所定の曲線に沿って伸びた側面を有する第１部分と、該第１部分と第１スラブ導波路との間に設けられかつ入力導波路よりも大きい幅を有する第２部分とを備えた自由伝搬領域が、入力導波路と第１スラブ導波路)との間に設けられている。入力導波路から第１スラブ導波路へ向かう光の電界強度分布は第１部分により一旦拡げられるが、逆に第２部分により該伝搬光の電界強度分布の拡がりは制限されるため、該電界強度分布の変化は導波路幅の変化に影響されにくくなり、結果的に微細加工の要求精度が緩和されるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る光合分波器の構成を示す平面図である。
【図２】この発明に係る光合分波器の第１実施形態として主に光入力部分における導波路構造を示す平面図である。
【図３】図１中に示された線Ｉ−Ｉに沿った当該光合分波器の断面構造を示す図である。
【図４】自由伝搬領域の形状の一例を説明するための図である。
【図５】この発明に係る光合分波器の第１実施形態として製造されたサンプル（ａ）及び比較例として製造されたサンプル（ｂ）それぞれの、光入力部分の導波路構造を示す平面図である。
【図６】図５（ａ）に示された導波路構造を有する第１実施形態に係る光合分波器の損失スペクトルである。
【図７】図５（ｂ）に示された導波路構造を有する比較例である光合分波器の損失スペクトルである。
【図８】導波路の幅（コア幅）やコアとクラッドの比屈折率差の違いによる製造プロセスにおける加工誤差の影響度の違いを説明するためのグラフである。
【図９】第１実施形態に係る光合分波器と従来の光合分波器のそれぞれについて、透過波長特性への加工誤差の影響度（測定結果）を示すグラフである。
【図１０】この発明に係る光合分波器における作用を説明するための図である。
【図１１】この発明に係る光合分波器の第２実施形態として主に光入力部分における導波路構造を示す平面図である。
【図１２】第１従来例に係るＡＷＧ回路の一部及び電界強度分布を立体的に示す図である。
【図１３】第２従来例に係るＡＷＧ回路の一部及び電界強度分布を立体的に示す図である。
【符号の説明】
１００…ＡＷＧ回路（光合分波器）、１１０…入力導波路、１２０…入力側スラブ導波路、１３０…チャネル導波路、１４０…出力側スラブ導波路、１６０…自由伝搬領域、１６０ａ…自由伝搬領域の光入力端面（第１部分の光入力端面に一致）、１６０ｂ…自由伝搬領域の光出力端面（第２部分の光出力端面及び第２スラブ導波路の光入力端面に一致）、１６１…第１部分、１６２…第２部分、１７０…マルチモード干渉型カプラ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）伝送システムに波長選択素子として適用可能なアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）型の光合分波器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＡＷＧ型の光合分波器（以下、ＡＷＧ回路という）は、干渉による特定波長の取り出しあるいは挿入を可能にする波長フィルタとしてＷＤＭ伝送システムにおける波長選択素子に広く利用されている。また、ＡＷＧ回路は、回折格子ほどの精密な機械加工や、干渉膜ほどの精密な多層膜形成が不要で、リソグラフィやエッチングなどの一般的な微細加工プロセスで実現できることから、他の光導波路素子との集積の可能性とも併せて今後のＷＤＭ伝送システムの中心的な光学部品としてその発展が期待されている。
【０００３】
このようなＡＷＧ回路は、単一基板上に、入力導波路、入力用スラブ導波路、それぞれ長さの異なるチャネル導波路（フェーズドアレイ）、出力用スラブ導波路、出力導波路が一体的に作り込まれた構造を備える。
【０００４】
また、従来のＡＷＧ回路に対しては種々の改良が提案されており、例えば信号チャネル間の損失バラツキを低減するため（透過帯域の平坦化）、M.R.Amersfoort, et al.,"Passband broadening of integrated arrayed waveguide filters using multimode interference couplers", ELECTRONICS LETTERS 29th Feb., 1996, Vol. 32, No. 5には、入力導波路と入力側スラブ導波路との接続部分に図１２（ａ）に示されたような形状のマルチモード干渉型カプラ（MMI coupler: MultiMode Interference coupler、以下ＭＭＩカプラという）が設けられたＡＷＧ回路（第１従来例）が開示されている。特開平９−２９７２２８号には、入力導波路と入力側スラブ導波路との接続部分に図１３（ａ）に示されたようなパラボリック形状導波路が設けられたＡＷＧ回路（第２従来例）が開示されている。さらに、日本国特許第３０３９４９１号には、入力導波路と入力側スラブ導波路との接続部分にテーパー形状導波路とパラボリック形状導波路とを組み合わせた構造の導波路が設けられたＡＷＧ回路（第３従来例）が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような構造を備えた従来のＡＷＧ回路（第１〜第３従来例）について検討した結果、発明者は以下のような課題を発見した。すなわち、第１従来例に係るＡＷＧ回路は、入力導波路と入力用スラブ導波路との接続部分に図１２（ａ）に示されたような矩形形状のＭＭＩカプラが設けられている。この第１従来例に係るＡＷＧ回路において、入力導波路を伝搬してきた光の電界強度分布は、図１２（ｂ）に示されたように、上記ＭＭＩカプラが精密に加工された場合であっても該ＭＭＩカプラ中を伝搬している間に著しく乱れてしまう。この電界強度分布の乱れは、主にＭＭＩカプラ内での多重反射に起因しているが、製造されるＡＷＧ回路それぞれで安定した光学特性を得るためには、該ＭＭＩカプラの幅や長さなどの加工にはより厳しい精度が要求される。
【０００６】
一方、上記第２従来例に係るＡＷＧ回路は、いずれも図１３（ａ）に示されたようなパラボリック形状導波路が設けられている。このＡＷＧ回路において、該パラボリック形状導波路中を伝搬する光の電界強度分布は、図１３（ｂ）に示されたように、当該パラボリック形状導波路内での多重反射の影響が低減されているため、ほとんど乱れることはない。しかしながら、当該パラボリック形状導波路内を伝搬するに従って伝搬光の電界強度分布は拡がっていく（電界強度分布のピーク間隔が徐々に拡がる）。このように、パラボリック形状導波路は、その光出力端面付近でも側面の傾きｄｙ／ｄｘ（図１２（ａ）ではパラボリック形状導波路の長手方向をｙ軸とし、該長手方向に対して垂直方向をｘ軸としている）が小さいので、この第２従来例においても十分な加工精度等が達成されていなければ製造されるＡＷＧ回路それぞれに光学特性のバラツキが生じる可能性がある。このことは、同様のパラボリック形状導波路を備えた第３従来例に係るＡＷＧ回路についても言える。
【０００７】
この発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、信号チャネル間における損失バラツキの低減等、透過波長特性の改善を実現するために要求される加工精度等を緩和する構造、すなわち製造トレランスを高める構造を備えた光合分波器を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る光合分波器は、基板と、該基板上にそれぞれ設けられた、１又はそれ以上の入力導波路、第１スラブ導波路、複数のチャネル導波路、第２スラブ導波路、及び各信号チャネルごとに設けられた複数の出力導波路とを備え、ＷＤＭ伝送システムに波長選択素子として適用可能なＡＷＧ型の光合分波器である。
【０００９】
この発明に係る光合分波器において、上記第１及び第２スラブ導波路は、それぞれ所定のスラブ長を有する。なお、スラブ長は、一般的に各スラブ導波路のレンズ面として機能する光入力端の焦点距離に相当する。また、上記入力導波路は、信号チャネルとして所定波長間隔ごとに設定されたチャネル波長を有する信号それぞれを第１スラブ導波路に導くための導波路であって、第１スラブ導波路の光入力端面にその光出力端が接続されている。上記チャネル導波路は、互いに異なる長さを有する導波路であって、入力導波路とともに第１スラブ導波路を挟むように該第１スラブ導波路の光出力端面にそれぞれの光入力端が接続される一方、出力導波路とともに第２スラブ導波路を挟むように該第２スラブ導波路の光入力端面にそれぞれの光出力端が接続された状態で基板上に平面的に配列されている。さらに、上記出力導波路は、第２スラブ導波路の光出力端面にそれぞれの光入力端が接続された状態で基板上に平面的に配列された導波路であって、所定波長間隔ごとに設定されたチャネル波長を有する信号それぞれを個別に取り出すための導波路である。
【００１０】
特に、この発明に係る光合分波器は、上記入力導波路と第１スラブ導波路との間に設けられた導波路であって、該入力導波路を伝搬してきた光の基底モードの一部を高次モードに結合させるための自由伝搬領域を備える。この自由伝搬領域は、入力導波路の光出力端から該第１スラブ導波路の光入力端面に向かって幅が増加するよう所定の曲線に沿って伸びた側面を有する第１部分と、該第１部分と該第１スラブ導波路との間に設けられかつ該入力導波路よりも大きい幅を有する第２部分から構成されている。したがって、第１部分は、回折効果により該入力導波路の光出力端から第１スラブ導波路の光入力端面に向かって伝搬する光の電界強度分布を拡げるよう機能する。一方、第２部分は、互いに略平行な側面を有する導波路であり、該第１部分を通過した光の電界強度分布の拡がりを制限するよう機能する。入力導波路と第１スラブ導波路との間に配置される自由伝搬領域を以上のような構造を有する第１及び第２部分で構成することにより、所望の光学特性、例えば透過波長特性の改善（信号チャネル間における損失バラツキの低減）を実現するために要求される製造誤差の許容範囲がより広くなり、微細加工等の要求精度が緩和される。
【００１１】
なお、上記所定の曲線は、指数関数で表される曲線であることが好ましい。特に、上記第２部分もこの曲線に沿って側面が伸びるよう加工すれば、上記自由伝搬領域を連続した側面を有する導波路として形成することができるからである。この場合、該自由伝搬領域の側面は、該自由伝搬領域の光入力端面から離れるに従って略平行な関係により近づくため、該自由伝搬領域における入力導波路側が上記第１部分として機能し、該自由伝搬領域における第１スラブ導波路側が上記第２部分として機能する。
【００１２】
上記曲線としては、一例として、以下の式によって与えられる。すなわち、基板表面に一致するｘ−ｚ座標系において、ｘ軸に平行な面である第１部分の光入力端面及び光出力端面における各中心点（ｘs，ｚs）、（ｘe，ｚe）を通過する基準線Ｘｐ（ｚ）は、
【００１３】
【数４】
【数５】
ｗｅ：第１部分の光出力端面の幅
α ：指数係数（α＞０）
なる式で与えられ、このとき曲線は
【数６】
【００１４】
さらに、この発明に係る光合分波器において、上記基板上に設けられた導波路（上述の入力導波路、自由伝搬領域、第１及び第２スラブ導波路、チャネル導波路、出力導波路などを含む）に相当するコアと、該コアを覆うように該基板上に設けられたクラッドとの比屈折率差は１％以上であることが好ましい。加えて、上記入力導波路、上記チャネル導波路、上記出力導波路は、いずれも５．５μｍ以下の幅（コア幅）を有するのが好ましい。コア（各導波路に相当）への光の閉じ込め効果が大きくなり、自由伝搬領域などの微細加工等の要求精度がより緩和されるからである。また、光の閉じ込め効果の向上によりコア幅をより小さくすることが可能になるため、より多くのチャネル導波路を基板上に設けることができるからである。いわゆる「埋め込み限界」と呼ばれる製造プロセス上の制約として、隣接するコアの理論上の最小間隔をより小さくすることができるので、光学特性の優れた光合分波器が得られる。
【００１５】
この発明に係る光合分波器は、上記入力導波路の光出力端と上記自由伝搬領域における第１部分の光入力端との間に設けられたＭＭＩカプラをさらに備えてもよい。このような構造は、従来の光合分波器と比較して微細加工等の要求精度をより緩和させることを可能にするとともに、当該光合分波器の透過波長特性をさらに改善させることを可能にする。
【００１６】
なお、入力導波路と第１スラブ導波路との間に自由伝搬領域が設けられた構造、及び該自由伝搬領域とともにＭＭＩカプラが設けられた構造のいずれにおいても、上記入力導波路の光出力端は、上記第１スラブ導波路の光入力端面から２．０μｍ以上離間していること、すなわち、該自由伝搬領域あるいは該自由伝搬領域とＭＭＩカプラのいずれかの全長が２．０μｍ以上であるのが好ましい。これにより、自由伝搬領域と第１スラブ導波路との接続部分に生じ易い加工なまり（この接続部分を構成する自由伝搬領域の光出力端面近傍及び第１スラブ導波路の光入力端面近傍の両方で形状がなまってしまう）を抑制すると同時に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）技術やＦＨＤ（Flame Hydrolysis Deposition）技術を利用してコア隙間へのクラッド埋め込み性の良好な自由伝搬領域を製造することができるからである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る光合分波器の各実施形態を、図１〜図１１を参照しながら説明する。なお、各図において、同一部分には同一の番号を付して重複する説明は省略する。
【００１８】
図１は、この発明に係る光合分波器の構成を示す平面図である。この図１に示されたように、当該光合分波器は、石英ガラス基板１００上に光導波路部分が一体的に形成された光部品である。すなわち、基板１００上には、１又はそれ以上の入力導波路１１０、第１スラブ導波路１２０（入力用スラブ導波路）、複数のチャネル導波路１３０、第２スラブ導波路１４０（出力用スラブ導波路）及び複数の出力導波路１５０が設けられている。特に、この発明に係る光合分波器では、入力導波路１１０と第１スラブ導波路１２０との間に特殊な形状を有する自由伝搬領域１６０が設けられていることを特徴としている。
【００１９】
上記第１スラブ導波路１２０は、当該光合分波器へ入力される光の入射角度に対して角度θをなすよう配置されており、また、第１及び第２スラブ導波路１２０、１４０は、スラブ長ｆを有する。なお、スラブ長は、第１及び第２スラブ導波路１２０、１４０おのおのにおける光入力端面に位置する凸レンズ面の焦点距離に相当する。また、上記入力導波路１１０は、信号チャネルとして所定波長間隔ごとに設定されたチャネル波長を有する各信号を第１スラブ導波路１２０に導くための導波路であって、この入力導波路１１０の光出力端は第１スラブ導波路１２０に光入力端面に接続されている。上記チャネル導波路１３０は、互いに異なる長さを有する導波路であって、基板１００上に平面的に配列されている。これらチャネル導波路１３０は、入力導波路１１０とともに第１スラブ導波路１２０を挟むように該第１スラブ導波路１２０の光出力端面にそれぞれの光入力端が間隔ｄごとに離間した状態で接続される一方、出力導波路１５０とともに第２スラブ導波路１４０を挟むように該第２スラブ導波路１４０の光入力端面１４０ａにそれぞれの光出力端が間隔ｄごとに離間した状態で接続されている。さらに、上記出力導波路１５０は、第２スラブ導波路１４０の光出力端面に光入力端が接続された状態で上記基板１００上に平面的に配列された導波路であって、所定波長間隔ごとに設定されたチャネル波長を有する各信号に対応して、すなわち各信号チャネルに対応して設けられている。なお、図１に示された光合分波器は、入力導波路１１０、第１スラブ導波路１２０、チャネル導波路１３０、第２スラブ導波路１４０及び出力導波路１５０の順に光が伝搬する４０チャネルの信号分離を可能にするＡＷＧ回路として説明されているが、各信号チャネルに対応して複数の入力導波路を設けることにより、信号合波を可能にするＡＷＧ回路も実現できる。
【００２０】
（第１実施形態）
図２は、この発明に係る光合分波器の第１実施形態における光入力部分（図１の光入力部分に相当）の導波路構成を示す平面図である。この第１実施形態に係る光合分波器において、自由伝搬領域１６０は、入力導波路１１０中を伝搬してきた光の基底モードの一部を高次モードに結合するための導波路として機能する。また、自由伝搬領域１６０は、入力導波路１１０を伝搬してきた光の電界強度分布を拡げるための第１部分１６１と、この第１部分を伝搬してきた光の電界強度分布の拡がりを制限するための第２部分１６２により構成されている。
【００２１】
なお、図２に示された自由伝搬領域１６０の形状は、第１スラブ導波路１２０の光入力端面に対して法線方向をｚ軸とし、該法線に直交する方向をｘ軸としたｘ−ｚ座標平面（基板１００の表面に一致）上に投影されている。第１部分１６１は、入力導波路１１０の光出力端面に面した幅ｗsの光入力端面（当該自由伝搬領域１６０の光入力端面１６０ａと一致）と幅ｗeの光出力端面を有するとともに、その側面は幅ｗ（ｚ）が増加するよう所定の曲線に沿って伸びている。一方、第２部分１６２は、第１部分１６１の光出力端面に面した光入力端面と第１スラブ導波路１２０の光入力端面に面した光出力端面（当該自由伝搬領域１６０の光出力端面１６０ｂと一致）とを有し、その側面は幅ｗeで互いに略平行に伸びている。このように、自由伝搬領域１６０が上記第１及び第２部分１６１、１６２で構成されることにより、所望の光学特性、例えば透過波長特性の改善（信号チャネル間における損失バラツキの低減）を実現するために要求される製造誤差の許容範囲がより広くなり、微細加工等の要求精度が緩和される。
【００２２】
なお、図３は、図１中の線Ｉ−Ｉに沿った当該光合分波器、特に自由伝搬領域１６０近傍の断面構造を示す図であり、石英ガラス基板１００上には入力導波路１１０、第１スラブ導波路１２０、チャネル導波路１３０、第２スラブ導波路１４０、出力導波路１５０、及び自由伝搬領域１６０などに相当するコア、該コアを覆うクラッド１０２が設けられている。導波路として機能するコアにはＧｅＯ2が添加されており、該ＧｅＯ2の添加量は、チャネル導波路１３０の曲率半径の低減及び導波路間隔の低減を可能にするため（光の閉じ込め効率の向上）、コアとクラッドとの比屈折率差は１％以上である。基板１００は、石英ガラス基板に代え、シリコン基板と該シリコン基板上に成膜されたガラス層とを備えた構造であってもよい。このガラス層の上にＧｅＯ2が添加されたコア（導波路）を形成することによっても同様の作用・効果が得られる。
【００２３】
この第１実施形態では、上記第１部分１６１とともに上記第２部分１６２も指数関数で表される曲線に沿って側面が伸びるよう加工することで、上記自由伝搬領域１６０が連続した側面を有する導波路として形成されている。この場合、該自由伝搬領域１６０の側面は、該自由伝搬領域１６０の光入力端面１６０ａから離れるに従って略平行な関係により近づくため、該自由伝搬領域１６０における入力導波路１１０側が上記第１部分１６１として機能するとともに、該自由伝搬領域１６０における第１スラブ導波路１２０側が上記第２部分１６２として機能する。
【００２４】
図４は、上記曲線の一例を説明するための図である。この図に示された自由伝搬領域１６０の形状は、第１スラブ導波路１２０の光入力端面に対して法線方向をｚ軸とし、該法線に直交する方向をｘ軸としたｘ−ｚ座標平面（基板１００の表面に一致）上に投影されている。また、図４に示された自由伝搬領域１６０は、その中心軸が第１スラブ導波路１２０の光入力端面に対して所定角度だけ傾いている。なお、図２には、その中心軸と第１スラブ導波路１２０の光入力端面とが直交する自由伝搬領域１６０が示されている。
【００２５】
すなわち、基板１００の表面に一致するｘ−ｚ座標系において、ｘ軸に平行な面である自由伝搬領域１６０の光入力端面１６０ａ（第１部分１６１の光入力端面に一致）及び光出力端面１６０ｂ（第２部分１６２の光出力端面に一致）における各中心点（ｘs，ｚs）、（ｘe，ｚe）を通過する基準線Ｘｐ（ｚ）は、
【００２６】
【数７】
【数８】
ｗｅ：自由伝搬領域１６０の光出力端面１６０ｂの幅
α ：指数係数（α＞０）
なる式で与えられ、自由伝搬領域１６０の側面形状を規定する曲線は
【数９】
【００２７】
次に、発明者は信号波長間隔Δλが１００ＧＨｚ、中心チャネル波長（ＣＨ２０）が１．５３０５μｍである４０チャネル信号分離を可能にするＡＷＧ回路を設計した。
【００２８】
設計されたＡＷＧ回路において、基板１００と各導波路部分との比屈折率差は１．５％、スラブ長ｆは８０００μｍ、各導波路の幅（コア幅）は４．３μｍ、第１及び第２スラブ導波路１２０、１４０のスラブ長は８０００μｍ、基板１００のサイズは２０ｍｍ×２０ｍｍ、基板１００の厚みは０．５ｍｍ、チャネル導波路１３０の端部間隔ｄは１２．０μｍ、チャネル導波路１３０の本数は１８０、第１スラブ導波路１２０の設置角度θは８０゜、各チャネル導波路１３０間の長さの差ΔＬは３６．７０２μｍに設定されている。
【００２９】
なお、第１実施形態として設計されたＡＷＧ回路の第１サンプルにおける自由伝搬領域１６０は、図５（ａ）に示されたような平面形状を有しており、その側面は、指数係数αが＋１．４、光入力端面１６０ａの幅ｗsが４．３μｍ、光出力端面１６０ｂの幅ｗeが２０μｍ、全長が１８０μｍであるとき数式９で与えられる曲線Ｘl（ｚ）及びＸu（ｚ）それぞれに沿って伸びる形状を有する。ただし、ｗeは２０μｍ、中心チャネル波長は１．５３０５μｍであることから、Δ＝λ0／ｗeは０．０７６５２５となる。したがって、この第１サンプルにおいて、幅ｗs（＝４．３μｍ）の光入力端面１６０ａから幅（１−０．０７６５２５）×２０μｍとなる領域までが当該自由伝搬領域１６０の第１部分１６１に相当し、幅（１−０．０７６５２５）×２０μｍとなる位置から幅２０μｍの光出力端面１６０ｂ間での領域が当該自由伝搬領域１６０の第２部分１６２に相当する。
【００３０】
一方、比較例として設計されたＡＷＧ回路の第２サンプルは、図５（ｂ）に示されたように、自由伝搬領域が存在せず、幅４．３μｍの入力導波路１１０が直接第１スラブ導波路１２０に接続された構造を備える。
【００３１】
図６は、上述のように設計された第１サンプルについて、第２０番目の出力導波路（ＣＨ２０）を中心とした各出力導波路における損失スペクトルの測定結果を示している。また、図７は、上述のように設計された第２サンプルについて、第２０番目の出力導波路（ＣＨ２０）を中心とした各出力導波路における損失スペクトルの測定結果を示している。これら図６及び図７を比較すると、第１実施形態に係る第１サンプルの方が、各チャネル波長間の損失バラツキが低下していることが分かる。
【００３２】
次に、このように各チャネル間における損失バラツキの低減など透過波長特性が改善される構造を備えた第１実施形態に係る光合分波器について、製造誤差と特性変化の関係を説明する。
【００３３】
一般に、ＡＷＧ回路の製造では、フォトリソグラフィ工程やエッチング工程などで寸法誤差（加工誤差）が生じたり、また、膜付け工程で導波路であるコアとクラッドとの比屈折率差Δｎの設計値からのずれが生じ、得られたＡＷＧ回路の光学特性が劣化する可能性がある。このことは、定性的に図８（ａ）〜図８（ｃ）により説明される。
【００３４】
すなわち、導波路であるコアの幅が適正値よりも狭くなりかつ比屈折率差Δｎが適正値よりも低くなったＡＷＧ回路では、あるＣＨの出力導波路における透過スペクトルには、図８（ａ）に示されたように、いくつかのピークが現れる。また、コアの幅及び比屈折率差Δｎとの適正値であるＡＷＧ回路では、あるＣＨの出力導波路における透過スペクトルは、図８（ｂ）に示されたように、ピーク付近が平坦になる。逆に、コアの幅が適正値よりも広くなりかつ比屈折率差Δｎが適正値よりも高くなったＡＷＧ回路では、あるＣＨの出力導波路における透過スペクトルは、図８（ｃ）に示されたように、よりピークが高くなる。
【００３５】
このように、適正値で設計されたＡＷＧ回路であっても、実際の製造では製造誤差をなくすことは現実的ではない。むしろ、加工精度等の許容度を高くする方がより現実的である。
【００３６】
そこで、発明者は、特開平９−２９７２２８号公報に示されたパラボリック形状導波路を有するＡＷＧ回路と、この従来のＡＷＧ回路と同じ条件で製造された第１実施形態に係るＡＷＧ回路の各製造トレランスについて検証した。なお、従来のＡＷＧ回路におけるパラボリック形状導波路は、上記特開平９−２９７２２８号公報の図６に示されたような平面形状を有しており、その構造パラメータは、光入力端面の幅が７μｍ、パラボリック形状を規定するパラメータＡが１．０、全長が２５０μｍである。一方、第１実施形態に係るＡＷＧ回路において、自由伝搬領域は、図５（ａ）に示されたような平面形状を有しており、その側面は、指数係数αが＋２．１、光入力端面の幅が７μｍ、光出力端面の幅が３２μｍ、全長が５００μｍであるとき数式９で与えられる曲線Ｘl（ｚ）及びＸu（ｚ）それぞれに沿って伸びる形状を有する。
【００３７】
以上のように構成された従来のＡＷＧ回路と第１実施形態に係るＡＷＧ回路についての測定結果が図９に示されている。この図９中の横軸は、導波路であるコア幅の誤差（μｍ）を示し、縦軸は、ＣＨの出力導波路における透過スペクトルのピーク平坦度（ｄＢ）を示している。なお、透過スペクトルの平坦度は、図８（ａ）に示された透過強度ａとｂの差によって与えられる。また、図９中、グラフＧ１００は、第１実施形態に係るＡＷＧ回路についての測定結果、グラフＧ２００は、従来のＡＷＧ回路についての測定結果をそれぞれ示している。
【００３８】
図９に示された測定結果からも分かるように、グラフＧ２００と比較してグラフＧ１００の方がより平坦な範囲が広く、すなわち製造トレランスが高いことは明らかである。
【００３９】
従来のＡＷＧ回路におけるパラボリック形状導波路の場合、図１０（ａ）に示されたように、該導波路部の幅が入力導波路と接続された光入力端面からスラブ導波路に接続された光出力端面に向かって大きくなっているため、入力導波路を伝搬した光の電界強度分布は、該光の伝搬とともに拡がってしまう。このことから、従来のＡＷＧ回路におけるパラボリック形状導波路は、導波路幅の誤差変動の影響をより受けやすい構造であることが分かる。
【００４０】
一方、第１実施形態に係るＡＷＧ回路では、図１０（ｂ）に示されたように、入力導波路１１０を伝搬した光の電界強度分布は、自由伝搬領域１６０の第１部分１６１において一旦拡がるものの、第２部分１６２においてその拡がりが制限されている。このように、第２部分ではもともと伝搬光の電界強度分布の変動が起こり難くなっているので、導波路幅の誤差変動の影響は受けにくい。このことからも、この発明に係る光合分波器によれば、従来技術よりも遥かに微細加工等の要求精度が緩和されることが分かる。
【００４１】
（第２実施形態）
次に、図１１は、この発明に係る光合分波器の第２実施形態における光入力部分（図１の光入力部分に相当）の導波路構成を示す平面図である。
【００４２】
この第２実施形態も、基本的な構造は第１実施形態と同じであるが、入力導波路１１０の光出力端と自由伝搬領域１６０における第１部分１６１の光入力端（自由伝搬領域１６０の光入力端面１６０ａに一致）との間に、ＭＭＩカプラ１７０が設けられた点で異なっている。このような構造が図１に示されたようなＡＷＧ回路に採用されることにより、従来のＡＷＧ回路よりも製造トレランスが高く、また、透過波長特性もさらに改善可能なＡＷＧ回路が得られる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、透過波長特性を改善するための導波路であって、入力導波路から第１スラブ導波路に向かって幅が増加するよう所定の曲線に沿って伸びた側面を有する第１部分と、該第１部分と第１スラブ導波路との間に設けられかつ入力導波路よりも大きい幅を有する第２部分とを備えた自由伝搬領域が、入力導波路と第１スラブ導波路)との間に設けられている。入力導波路から第１スラブ導波路へ向かう光の電界強度分布は第１部分により一旦拡げられるが、逆に第２部分により該伝搬光の電界強度分布の拡がりは制限されるため、該電界強度分布の変化は導波路幅の変化に影響されにくくなり、結果的に微細加工の要求精度が緩和されるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る光合分波器の構成を示す平面図である。
【図２】この発明に係る光合分波器の第１実施形態として主に光入力部分における導波路構造を示す平面図である。
【図３】図１中に示された線Ｉ−Ｉに沿った当該光合分波器の断面構造を示す図である。
【図４】自由伝搬領域の形状の一例を説明するための図である。
【図５】この発明に係る光合分波器の第１実施形態として製造されたサンプル（ａ）及び比較例として製造されたサンプル（ｂ）それぞれの、光入力部分の導波路構造を示す平面図である。
【図６】図５（ａ）に示された導波路構造を有する第１実施形態に係る光合分波器の損失スペクトルである。
【図７】図５（ｂ）に示された導波路構造を有する比較例である光合分波器の損失スペクトルである。
【図８】導波路の幅（コア幅）やコアとクラッドの比屈折率差の違いによる製造プロセスにおける加工誤差の影響度の違いを説明するためのグラフである。
【図９】第１実施形態に係る光合分波器と従来の光合分波器のそれぞれについて、透過波長特性への加工誤差の影響度（測定結果）を示すグラフである。
【図１０】この発明に係る光合分波器における作用を説明するための図である。
【図１１】この発明に係る光合分波器の第２実施形態として主に光入力部分における導波路構造を示す平面図である。
【図１２】第１従来例に係るＡＷＧ回路の一部及び電界強度分布を立体的に示す図である。
【図１３】第２従来例に係るＡＷＧ回路の一部及び電界強度分布を立体的に示す図である。
【符号の説明】
１００…ＡＷＧ回路（光合分波器）、１１０…入力導波路、１２０…入力側スラブ導波路、１３０…チャネル導波路、１４０…出力側スラブ導波路、１６０…自由伝搬領域、１６０ａ…自由伝搬領域の光入力端面（第１部分の光入力端面に一致）、１６０ｂ…自由伝搬領域の光出力端面（第２部分の光出力端面及び第２スラブ導波路の光入力端面に一致）、１６１…第１部分、１６２…第２部分、１７０…マルチモード干渉型カプラ。
Claims (7)
- 基板と、
前記基板上に設けられた、それぞれ所定のスラブ長を有する第１及び第２スラブ導波路と、
前記基板上に設けられた導波路であって、前記第１スラブ導波路内に光を導くための１又はそれ以上の入力導波路と、
前記第２スラブ導波路の光出力端面にそれぞれの光入力端が接続された状態で前記基板上に平面的に配列された導波路であって、信号チャネルとして所定波長間隔ごとに設定されたチャネル波長を有する信号それぞれに対応して設けられた複数の出力導波路と、
前記入力導波路とともに前記第１スラブ導波路を挟むように該第１スラブ導波路の光出力端面にそれぞれの光入力端が接続される一方、前記出力導波路とともに前記第２スラブ導波路を挟むように該第２スラブ導波路の光入力端面にそれぞれの光出力端が接続された状態で前記基板上に平面的に配列された導波路であって、互いに長さの異なる複数のチャネル導波路と、
前記入力導波路と前記第１スラブ導波路との間に設けられた導波路であって、指数関数で表される曲線に沿って伸びた連続した側面を有する自由伝搬領域とを備え、該自由伝搬領域は、該入力導波路の光出力端から該第１スラブ導波路の光入力端面に向かって幅が増加するように伸びた側面を有する第１部分と、該第１部分と該第１スラブ導波路との間に設けられかつ該入力導波路よりも大きい略一定幅を有する第２部分から構成されている光合分波器。 - 基板と、
前記基板上に設けられた、それぞれ所定のスラブ長を有する第１及び第２スラブ導波路と、
前記基板上に設けられた導波路であって、前記第１スラブ導波路内に光を導くための１又はそれ以上の入力導波路と、
前記第２スラブ導波路の光出力端面にそれぞれの光入力端が接続された状態で前記基板上に平面的に配列された導波路であって、信号チャネルとして所定波長間隔ごとに設定されたチャネル波長を有する信号それぞれに対応して設けられた複数の出力導波路と、
前記入力導波路とともに前記第１スラブ導波路を挟むように該第１スラブ導波路の光出力端面にそれぞれの光入力端が接続される一方、前記出力導波路とともに前記第２スラブ導波路を挟むように該第２スラブ導波路の光入力端面にそれぞれの光出力端が接続された状態で前記基板上に平面的に配列された導波路であって、互いに長さの異なる複数のチャネル導波路と、
前記入力導波路と前記第１スラブ導波路との間に設けられかつ該入力導波路を伝搬してきた光の基底モードの一部を高次モードに結合させるための導波路であって、指数関数で表される曲線に沿って伸びた連続した側面を有する自由伝搬領域とを備え、自由伝搬領域は、干渉効果により該入力導波路の光出力端から前記第１スラブ導波路の光入力端面に向かって伝搬する光の電界強度分布を拡げるための第１部分と、該第１部分を通過した光の電界強度分布の拡がりを制限するための略一定幅を有する第２部分から構成されている光合分波器。 - 前記基板表面に一致するｘ−ｚ座標系において、ｘ軸に平行な面である上記第１部分の光入力端面及び光出力端面における各中心点（ｘｓ，ｚｓ）、（ｘｅ，ｚｅ）を通過する基準線Ｘｐ（ｚ）は、
ｗｅ：前記自由伝搬領域の光出力端面の幅
α ：指数係数（α＞０）
なる式で与えられ、前記自由伝搬領域の側面は、
- 前記基板上に設けられた導波路に相当するコアと、該コアを覆うように該基板上に設けられたクラッドとの比屈折率差が１％以上であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の光合分波器。
- 前記入力導波路、前記チャネル導波路、前記出力導波路は、いずれも５．５μｍ 以下の幅を有することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の光合分波器。
- 前記入力導波路の光出力端と前記自由伝搬領域における第１部分の光入力端との間に設けられたマルチモード干渉型カプラをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の光合分波器。
- 前記入力導波路の光出力端が、少なくとも前記自由伝搬領域を介して前記第１ スラブ導波路の光入力端面から２．０μｍ 以上離間していることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項記載の光合分波器。
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