JP3775673B2 - アレイ導波路格子型光合分波回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光波長多重通信システムに用いるアレイ導波路格子型光合分波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、通信容量の拡大のために複数の光波長を用いた光波長多重通信システムの開発が盛んである。この光波長多重通信システムにおいて、送信機側で複数の波長の光信号を合波したり、受信機側で１本の光ファイバ中の複数の光信号を異なるポートに分波したりする光波長合分波回路として、アレイ導波路格子型光合分波回路が広く使用されている。
【０００３】
図８に、従来のアレイ導波路格子型光合分波回路の構成を示す（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
図８に示すように、従来のアレイ導波路格子型光合分波回路は、入力導波路１と、入力導波路１に接続された第１のスラブ導波路２と、第１のスラブ導波路２に接続され、所定の導波路長差で順次長くなる複数の光導波路からなるアレイ導波路３と、アレイ導波路３に接続された第２のスラブ導波路４と、第２のスラブ導波路４に接続された複数の出力導波路５とを有する。これらは、平面な基板１０上に形成された屈折率の高いコアとその回りのクラッドから成る光導波路を用いて構成されている。
【０００５】
図８に示す従来のアレイ導波路格子型光合分波回路において、入力導波路１に導かれた光は、第１のスラブ導波路２で拡がり、アレイ導波路３の各々の光導波路へ分岐される。そして、第２のスラブ導波路４で再び合波されて出力導波路５へと導かれる。この時、第１のスラブ導波路２のアレイ導波路３側の端部に投射された光フィールドパターンは、基本的に第２のスラブ導波路４のアレイ導波路３側の端部にコピーされることになる。更に、アレイ導波路３では、隣り合う光導波路同士がΔＬだけ光路長が異なるように設けられているため、入力された光の波長に依存して光フィールドが傾きを持つこととなる。この傾きによって、第２のスラブ導波路４の出力導波路５側において、光フィールドが焦点を結ぶ位置を波長ごとに変化させ、その結果、波長分波が可能となる。なお、出力導波路５側から光を入射する場合、光の相反性により、異なる波長の光を合波して、入力導波路１から光を出射することとなる。
【０００６】
このようなアレイ導波路格子型光合分波回路は、１本の光ファイバに異なる波長を持つ信号を複数伝送させる光多重通信システムにおいて、必要不可欠な光部品となりつつある。
【０００７】
更に、図１に示したアレイ導波路格子型光合分波回路の透過波長帯域幅を拡げたパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の提案も種々行われている（例えば、非特許文献２参照）。図９に、提案されている従来のパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の構成を示す。
【０００８】
図９（ａ）に示すように、従来のパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路は、図８に示した従来のアレイ導波路格子型光合分波回路の入力導波路１と第１のスラブ導波路２の間に、放物線状のパラボラ導波路６を設けた構成である。このパラボラ導波路６は、図９（ｂ）に示すように、Ａを係数、ｗ0を入力導波路１の幅、ｚ0を第１のスラブ導波路２からのパラボラ導波路６の長さとすると、第１のスラブ導波路２に接する入力光導波路１の幅ｗが、光波の伝搬軸ｚに対して、以下の数式で規定されるものである。
【数３】
【０００９】
このようなパラボラ導波路６を用いた場合、パラボラ導波路６が形成する光フィールドは図１０に示すような分布となる。図１０（ａ）は、図９（ｂ）に示したパラボラ導波路６での光フィールドの３次元の分布図であり、図１０（ｂ）は、パラボラ導波路６の端部、即ち、パラボラ導波路６と第１のスラブ導波路２との境界でのパラボラ導波路６の幅方向（ｘ方向）の光フィールドの２次元の分布図である。
【００１０】
図１０（ａ）に示すように、入力導波路１における光フィールドは、１つのピークを有しているが、パラボラ導波路６においては（図１０（ａ）中ｚ＝−ｚ0の位置から右側の部分）、２つのピークを有する光フィールド分布を形成する。そして、パラボラ導波路６がスラブ導波路２と接する境界部分での光フィールドの分布は、図１０（ｂ）に示すように、ダブルピークを有するものとなる。したがって、第２のスラブ導波路４の出力導波路５側の端部でも、このタブルピークを持った光フィールドが再生されて出力導波路５と結合するため、透過波長帯域の拡大を実現することができる。
【００１１】
【非特許文献１】
K. Okamoto, "Fundamentals of Optical Waveguides", Academic Press, pp. 346-381, 2000
【非特許文献２】
K. Okamoto and A. Sugita, "Flat spectral response arrayed-Waveguide grating multiplexer with Parabolic waveguide horns", Electronics Letters, Vol.32, No. 18, pp. 1661-1662, 1996
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したパラボラ導波路を備えた従来のパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路は、重大な欠点を有していた。すなわち、パラボラ導波路内の位相分布に起因する大きな波長分散値を有していた。図１１に、従来のパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路における光の波長に対する波長分散及び損失のグラフを示す。図１１から明らかなように、光の波長に対する波長分散は、中心波長において大きな波長分散値を有し、そこを最大の波長分散値として、その前後の波長において大きく変化していることが分かる。このような波長分散特性は、１つのチャネル内で光の信号スペクトル成分に異なる遅延時間を与えるため、光信号（パルス）の劣化が著しいという問題を引き起こしていた。
【００１３】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、波長分散を低減したアレイ導波路格子型光合分波回路を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係るアレイ導波路格子型光合分波回路は、平面基板上の屈折率の高いコアとその回りのクラッドから成る光導波路を用いて構成され、複数の第１の光導波路と、前記第１の光導波路に接続された第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に接続され、所定の導波路長差で順次長くなる複数の光導波路からなるアレイ導波路と、前記アレイ導波路に接続された第２のスラブ導波路と、前記第２のスラブ導波路に接続された複数の第２の光導波路とを有し、前記第１のスラブ導波路に接する前記第１の光導波路の幅ｗが、光波の伝搬軸ｚに対して、Ａを係数、ｗ０を前記第１の光導波路の幅、ｚ０を前記第１のスラブ導波路からの長さとすると、
【数４】
によって規定されるパラボラ導波路であり、
前記第２のスラブ導波路に接する前記第２の光導波路の幅ｗ’が、光波の伝搬軸ｚに対して、Ａ’を係数、ｗ’０を前記第２の光導波路の幅、ｚ’０を前記第２のスラブ導波路からの長さとすると、
【数５】
によって規定されるテーパ導波路であり、
前記パラボラ導波路の遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの振幅絶対値の比が０．１８以上、０．２２以下の範囲であり、かつ、前記パラボラ導波路の遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの相対位相が−２．９ラジアン以上、−２．０ラジアン以下の範囲であるように、前記長さｚ０を設定したことを特徴とする。
更に、パラボラ導波路の遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの振幅の符号が反転していればより望ましい。
【００１６】
上記課題を解決する本発明の請求項２に係るアレイ導波路格子型光合分波回路は、前記光導波路が、シリコンの平面基板上の石英系ガラス光導波路で構成されていることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
アレイ導波路格子型光合分波回路において、平坦な透過特性のパスバンドを有し、更に、低波長分散であるためには、パラボラ導波路を有し、更に、そのパラボラ導波路の遠方界の電界分布が等位相で矩形であることが望ましい。この場合のパラボラ導波路の遠方界の電界分布の振幅は、ｓｉｎｃ関数になることが知られている。一般的なｓｉｎｃ関数の数式を以下に示し、ｓｉｎｃ関数となる振幅及び位相のグラフを図１に示す。
【数６】
ここで、変数ξは角度（ｒａｄ．）をπにより規格化したものである。
図1に示すように、ｓｉｎｃ関数となる振幅は、中心にメイン・ピークを有し、その両側に対称的に複数の小さいピークを有する分布となる。又、位相は変数ξ＝０近傍に平坦な位相（等位相）部分を有する矩形波となる。
【００１８】
一方、実際のパラボラ導波路の遠方界の電界分布は図２に示すグラフとなる。図２に示すように、パラボラ導波路の遠方界の電界分布の振幅は、ｓｉｎｃ関数に類似しており、メイン・ピークの両側に２つのサイド・ピーク（第１サイド・ピーク）が存在する分布となる。又、位相は角度θ＝０近傍に略平坦な位相部分を有する分布となる。なお、図２のグラフにおいて、振幅は絶対値を示し、角度θはパラボラ導波路に入射する光波の進行方向（光軸）を０としたものである。
【００１９】
図１、図２の比較からわかるように、理想的な電界分布、即ち、等位相で矩形状の電界分布とするには、実際のパラボラ導波路の遠方界の電界分布において、そのメイン・ピークの振幅、位相を基準として、第１サイド・ピークの振幅、位相を、ｓｉｎｃ関数との近似尺度として考えればよい。つまり、本発明は、アレイ導波路格子型光合分波回路において、パラボラ導波路の遠方界の電界分布をｓｉｎｃ関数との近似尺度として規定することにより、等位相で矩形状の電界分布とし、平坦なパスバンドの透過特性及び低波長分散を実現するものである。
【００２０】
実際のパラボラ導波路の遠方界の電界分布において、そのメイン・ピークの振幅、位相に対する第１サイド・ピークの振幅、位相を、ｓｉｎｃ関数との近似尺度として考えるために図示したものが図３である。これは、メイン・ピークの振幅を１とした場合の第１サイド・ピークの振幅を振幅比とし、メイン・ピークの位相に対する第１サイド・ピークの位相の差を相対位相として、変数ζに対してそれぞれプロットしたものである。この変数ζは、パラボラ導波路の構造を示すパラメータであり、従来のパラボラ導波路の設計値の長さがζ＝１となるように規格化したものであり、パラボラ導波路の長さｚ0に相関する変数である。
【００２１】
次に、変数ζにより構造が特定されたパラボラ導波路を有し、パスバンドが拡大されたアレイ導波路格子型光合分波回路での波長分散特性を図４に示す。図４でも、パラボラ導波路の構造を示すパラメータとして変数ζを用い、その変数ζに対する波長分散をプロットした。又、これは、チャネル内で最も大きな波長分散を与える波長（例えば、図１１中の１５５０ｎｍ付近の波長）について、パラボラ導波路の構造を示す変数ζへの波長分散の依存性を示したものである。なお、このアレイ導波路格子型光合分波回路は、チャネル間隔が５０ＧＨｚである。
【００２２】
図４のグラフに示すように、変数ζを特定の設定値にすると、従来と比較して波長分散が大幅に低減されることがわかる。つまり、パラボラ導波路の構造を示す変数ζを適切に設定することで、パラボラ導波路の遠方界の電界分布を適切に規定することとなり、結果的に波長分散値が低減されることを意味する。具体的には、「パラボラ導波路の遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの振幅絶対値の比が０．２５以下」である、又、「パラボラ導波路の遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの相対位相が３．５ラジアン以内」である条件の下で（図３参照）、変数ζが波長分散を低減する最適な値となる。したがって、従来からパラボラ導波路が有していた透過波長の広帯域特性と、従来は同時に実現することがなかった低波長分散特性とを、同時に実現することができる。
【００２３】
更に、従来は、波長分散を導出するためには、アレイ導波路格子型光合分波回路全体を数値計算等によって解析し、その伝達関数の位相角の２階微分より、波長分散を導出していた。しかし、本発明では、変数ζを用いることにより、波長分散を導出する手順が省略できるため、パラボラ導波路の長さを適切に決定する指針を与えることができ、光回路製造における設計時間を大幅に短縮することができる。
【００２４】
図５に、上記効果を実現する本発明に係る実施形態の一例となるアレイ導波路格子型光合分波回路の構成図を示し、図面を参照して詳細に説明する。
【００２５】
図５（ａ）に示す本発明に係るアレイ導波路格子型光合分波回路は、図８に示した従来のアレイ導波路格子型光合分波回路と略同等の構成でよい。即ち、第１の光導波路となる入力導波路１と、入力導波路１に接続された第１のスラブ導波路２と、第１のスラブ導波路２に接続され、所定の導波路長差で順次長くなる複数の光導波路からなるアレイ導波路３と、アレイ導波路３に接続された第２のスラブ導波路４と、第２のスラブ導波路４に複数接続された第２の光導波路となる出力導波路５とを有する。これらは、平面な基板１０上に形成された屈折率の高いコアとその回りのクラッドから成る光導波路を用いて構成されている。なお、入力導波路１は複数でもよい。
【００２６】
又、入力導波路１と第１のスラブ導波路２の間に、放物線状のパラボラ導波路６を設けてある。このパラボラ導波路６も、図９（ｂ）に示したものと同等のものでよく、Ａを係数、ｗ0を入力導波路１の幅、ｚ0を第１のスラブ導波路２からのパラボラ導波路６の長さとすると、第１のスラブ導波路２に接する入力光導波路１の幅ｗが、光波の伝搬軸ｚに対して、以下の数式で規定されるものである（図５（ｂ）参照）。
【数７】
但し、０≧ｚ≧−ｚ0であり、Ａ＞０である。
【００２７】
但し、本発明では、上記数式（１）に規定されるパラボラ導波路の構造を、図３、図４に示したグラフより、波長分散の小さい変数ζになるようにｚ0を設定する。つまり、パラボラ導波路の遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの振幅絶対値の比が０．２５以下であること、又、遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの相対位相が３．５ラジアン以内であることが条件となる。更に、相対位相がπラジアン以上であること、つまり、パラボラ導波路の遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの振幅の符号が反転していればより望ましい。
【００２８】
又、本発明に係るアレイ導波路格子型光合分波回路では、第２のスラブ導波路４と出力導波路５との間に、更に、テーパ状のテーパ導波路７を設けてある。このテーパ導波路７は、Ａ’を係数、ｗ’0を出力導波路５の幅、ｚ’0を第２のスラブ導波路４からのテーパ導波路７の長さとすると、第２のスラブ導波路４に接する出力光導波路５の幅ｗ’が、光波の伝搬軸ｚに対して、以下の数式で規定されるものである（図５（ｃ）参照）。
【数８】
但し、０≧ｚ≧−ｚ’0であり、Ａ≧０である。
なお、上記テーパ導波路は、Ａ’＝０の場合、つまり、テーパ導波路の傾きが０である平行な光導波路を含み、必ずしもテーパ形状である必要はない。
【００２９】
次に、本発明に係る光回路の導波路の作製方法を、図６を用いて簡単に説明する。
【００３０】
平面基板となるシリコン基板１１上に火炎堆積法でＳｉＯ2を主体にした下部クラッドガラススート１２、ＳｉＯ2にＧｅＯ2を添加したコアガラススート１３を堆積する（図６の（ａ）参照）。
【００３１】
その後、１０００℃以上の高温でガラス透明化を行い、下部クラッドガラススート１２は下部クラッドガラス層１４となり、コアガラススート１３はコアガラス１５となる。この時に、下部クラッドガラス層１４は３０μｍ厚、コアガラス１５は７μｍ厚となるように、下部クラッドガラススート１２、コアガラススート１３の堆積は行われている（図６の（ｂ））。
【００３２】
引き続き、フォトリソグラフィ技術を用いてコアガラス１５上にエッチングマスク１６を形成し（図６の（ｃ））、反応性イオンエッチングによってコアガラス１５のパターン化を行う（図６の（ｄ））。ここで、図５に示すような形状の光導波路を形成することとなる。
【００３３】
エッチングマスク１６を除去した後、上部クラッドガラス１７を再度火炎堆積法で形成する。上部クラッドガラス１７にはＢ2Ｏ3やＰ2Ｏ5などのドーパントを添加してガラス転移温度を下げ、パターン化されたコアガラス１５同士の狭い隙間にも上部クラッドガラス１７が入り込むようにしている（図６の（ｅ））。
【００３４】
上記光回路は、本発明に係る実施形態の一例として、光導波路がシリコンの平面基板上の石英系ガラス光導波路で構成されているアレイ導波路格子型光合分波回路を示したものであるが、その光導波路の材料がポリイミド、シリコーン、半導体、ＬｉＮｂＯ3などであっても本発明は適用可能である。また、平面基板もシリコンに限定するものではない。
【００３５】
本発明に基づいて設計したチャネル間隔５０ＧＨｚのアレイ導波路格子型光合分波回路の波長分散特性及び損失を図７に示す。図７に示すように、本発明に係るアレイ導波路格子型光合分波回路では、−１５ｐｓ／ｎｍ以下の低波長分散特性が実現されると共に、波長に対する波長分散を３ｄＢ帯域内で略平坦化することもできた。この波長分散は、図４に示した従来設計による分散値−５８ｐｓ／ｎｍと比較して、略１／４（約２６％）まで大きく低減されている。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、アレイ導波路格子型光合分波回路の透過波長のパスバンドを拡大すると共に、従来同時に達成することができなかった波長分散の低減を実現することができ、又、波長に対する波長分散のばらつきも略平坦化することができる。更に、従来技術において明らかでなかったパラボラ導波路の設計指針を与えることによって、設計の効率化を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なｓｉｎｃ関数の振幅及び位相を示すグラフである。
【図２】パラボラ導波路の遠方界の振幅及び位相を示すグラフである。
【図３】メイン・ピークに対する第１サイド・ピークの振幅及び位相とパラボラ導波路の構造を示す変数ζとの関係を示すグラフである。
【図４】波長分散とパラボラ導波路の構造を示す変数ζとの関係を示すグラフである。
【図５】本発明に係る実施形態の一例を示すアレイ導波路格子型光合分波回路の構成図である。（ａ）は全体図であり、（ｂ）はパラボラ導波路の構成図、（ｃ）はテーパ導波路の構成図である。
【図６】本発明に係るアレイ導波路格子型光合分波回路の製造工程を示す図である。
【図７】本発明に係るアレイ導波路格子型光合分波回路の波長分散特性及び損失を示すグラフである。
【図８】従来のアレイ導波路格子型光合分波回路の構成図である。
【図９】従来のパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の構成図である。（ａ）は全体図であり、（ｂ）はパラボラ導波路の構成図である。
【図１０】パラボラ導波路の光フィールドの分布図である。
【図１１】従来のパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の波長分散特性及び損失を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 入力導波路
２ 第１のスラブ導波路
３ アレイ導波路
４ 第２のスラブ導波路
５ 出力導波路
６ パラボラ導波路
７ テーパ導波路
１０ 基板
１１ シリコン基板
１２ 下部クラッドガラススート
１３ コアガラススート
１４ 下部クラッドガラス層
１５ コアガラス
１６ エッチングマスク
１７ 上部クラッドガラス
【発明の属する技術分野】
本発明は、光波長多重通信システムに用いるアレイ導波路格子型光合分波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、通信容量の拡大のために複数の光波長を用いた光波長多重通信システムの開発が盛んである。この光波長多重通信システムにおいて、送信機側で複数の波長の光信号を合波したり、受信機側で１本の光ファイバ中の複数の光信号を異なるポートに分波したりする光波長合分波回路として、アレイ導波路格子型光合分波回路が広く使用されている。
【０００３】
図８に、従来のアレイ導波路格子型光合分波回路の構成を示す（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
図８に示すように、従来のアレイ導波路格子型光合分波回路は、入力導波路１と、入力導波路１に接続された第１のスラブ導波路２と、第１のスラブ導波路２に接続され、所定の導波路長差で順次長くなる複数の光導波路からなるアレイ導波路３と、アレイ導波路３に接続された第２のスラブ導波路４と、第２のスラブ導波路４に接続された複数の出力導波路５とを有する。これらは、平面な基板１０上に形成された屈折率の高いコアとその回りのクラッドから成る光導波路を用いて構成されている。
【０００５】
図８に示す従来のアレイ導波路格子型光合分波回路において、入力導波路１に導かれた光は、第１のスラブ導波路２で拡がり、アレイ導波路３の各々の光導波路へ分岐される。そして、第２のスラブ導波路４で再び合波されて出力導波路５へと導かれる。この時、第１のスラブ導波路２のアレイ導波路３側の端部に投射された光フィールドパターンは、基本的に第２のスラブ導波路４のアレイ導波路３側の端部にコピーされることになる。更に、アレイ導波路３では、隣り合う光導波路同士がΔＬだけ光路長が異なるように設けられているため、入力された光の波長に依存して光フィールドが傾きを持つこととなる。この傾きによって、第２のスラブ導波路４の出力導波路５側において、光フィールドが焦点を結ぶ位置を波長ごとに変化させ、その結果、波長分波が可能となる。なお、出力導波路５側から光を入射する場合、光の相反性により、異なる波長の光を合波して、入力導波路１から光を出射することとなる。
【０００６】
このようなアレイ導波路格子型光合分波回路は、１本の光ファイバに異なる波長を持つ信号を複数伝送させる光多重通信システムにおいて、必要不可欠な光部品となりつつある。
【０００７】
更に、図１に示したアレイ導波路格子型光合分波回路の透過波長帯域幅を拡げたパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の提案も種々行われている（例えば、非特許文献２参照）。図９に、提案されている従来のパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の構成を示す。
【０００８】
図９（ａ）に示すように、従来のパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路は、図８に示した従来のアレイ導波路格子型光合分波回路の入力導波路１と第１のスラブ導波路２の間に、放物線状のパラボラ導波路６を設けた構成である。このパラボラ導波路６は、図９（ｂ）に示すように、Ａを係数、ｗ0を入力導波路１の幅、ｚ0を第１のスラブ導波路２からのパラボラ導波路６の長さとすると、第１のスラブ導波路２に接する入力光導波路１の幅ｗが、光波の伝搬軸ｚに対して、以下の数式で規定されるものである。
【数３】
このようなパラボラ導波路６を用いた場合、パラボラ導波路６が形成する光フィールドは図１０に示すような分布となる。図１０（ａ）は、図９（ｂ）に示したパラボラ導波路６での光フィールドの３次元の分布図であり、図１０（ｂ）は、パラボラ導波路６の端部、即ち、パラボラ導波路６と第１のスラブ導波路２との境界でのパラボラ導波路６の幅方向（ｘ方向）の光フィールドの２次元の分布図である。
【００１０】
図１０（ａ）に示すように、入力導波路１における光フィールドは、１つのピークを有しているが、パラボラ導波路６においては（図１０（ａ）中ｚ＝−ｚ0の位置から右側の部分）、２つのピークを有する光フィールド分布を形成する。そして、パラボラ導波路６がスラブ導波路２と接する境界部分での光フィールドの分布は、図１０（ｂ）に示すように、ダブルピークを有するものとなる。したがって、第２のスラブ導波路４の出力導波路５側の端部でも、このタブルピークを持った光フィールドが再生されて出力導波路５と結合するため、透過波長帯域の拡大を実現することができる。
【００１１】
【非特許文献１】
K. Okamoto, "Fundamentals of Optical Waveguides", Academic Press, pp. 346-381, 2000
【非特許文献２】
K. Okamoto and A. Sugita, "Flat spectral response arrayed-Waveguide grating multiplexer with Parabolic waveguide horns", Electronics Letters, Vol.32, No. 18, pp. 1661-1662, 1996
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したパラボラ導波路を備えた従来のパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路は、重大な欠点を有していた。すなわち、パラボラ導波路内の位相分布に起因する大きな波長分散値を有していた。図１１に、従来のパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路における光の波長に対する波長分散及び損失のグラフを示す。図１１から明らかなように、光の波長に対する波長分散は、中心波長において大きな波長分散値を有し、そこを最大の波長分散値として、その前後の波長において大きく変化していることが分かる。このような波長分散特性は、１つのチャネル内で光の信号スペクトル成分に異なる遅延時間を与えるため、光信号（パルス）の劣化が著しいという問題を引き起こしていた。
【００１３】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、波長分散を低減したアレイ導波路格子型光合分波回路を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係るアレイ導波路格子型光合分波回路は、平面基板上の屈折率の高いコアとその回りのクラッドから成る光導波路を用いて構成され、複数の第１の光導波路と、前記第１の光導波路に接続された第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に接続され、所定の導波路長差で順次長くなる複数の光導波路からなるアレイ導波路と、前記アレイ導波路に接続された第２のスラブ導波路と、前記第２のスラブ導波路に接続された複数の第２の光導波路とを有し、前記第１のスラブ導波路に接する前記第１の光導波路の幅ｗが、光波の伝搬軸ｚに対して、Ａを係数、ｗ０を前記第１の光導波路の幅、ｚ０を前記第１のスラブ導波路からの長さとすると、
【数４】
前記第２のスラブ導波路に接する前記第２の光導波路の幅ｗ’が、光波の伝搬軸ｚに対して、Ａ’を係数、ｗ’０を前記第２の光導波路の幅、ｚ’０を前記第２のスラブ導波路からの長さとすると、
【数５】
前記パラボラ導波路の遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの振幅絶対値の比が０．１８以上、０．２２以下の範囲であり、かつ、前記パラボラ導波路の遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの相対位相が−２．９ラジアン以上、−２．０ラジアン以下の範囲であるように、前記長さｚ０を設定したことを特徴とする。
更に、パラボラ導波路の遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの振幅の符号が反転していればより望ましい。
【００１６】
上記課題を解決する本発明の請求項２に係るアレイ導波路格子型光合分波回路は、前記光導波路が、シリコンの平面基板上の石英系ガラス光導波路で構成されていることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
アレイ導波路格子型光合分波回路において、平坦な透過特性のパスバンドを有し、更に、低波長分散であるためには、パラボラ導波路を有し、更に、そのパラボラ導波路の遠方界の電界分布が等位相で矩形であることが望ましい。この場合のパラボラ導波路の遠方界の電界分布の振幅は、ｓｉｎｃ関数になることが知られている。一般的なｓｉｎｃ関数の数式を以下に示し、ｓｉｎｃ関数となる振幅及び位相のグラフを図１に示す。
【数６】
図1に示すように、ｓｉｎｃ関数となる振幅は、中心にメイン・ピークを有し、その両側に対称的に複数の小さいピークを有する分布となる。又、位相は変数ξ＝０近傍に平坦な位相（等位相）部分を有する矩形波となる。
【００１８】
一方、実際のパラボラ導波路の遠方界の電界分布は図２に示すグラフとなる。図２に示すように、パラボラ導波路の遠方界の電界分布の振幅は、ｓｉｎｃ関数に類似しており、メイン・ピークの両側に２つのサイド・ピーク（第１サイド・ピーク）が存在する分布となる。又、位相は角度θ＝０近傍に略平坦な位相部分を有する分布となる。なお、図２のグラフにおいて、振幅は絶対値を示し、角度θはパラボラ導波路に入射する光波の進行方向（光軸）を０としたものである。
【００１９】
図１、図２の比較からわかるように、理想的な電界分布、即ち、等位相で矩形状の電界分布とするには、実際のパラボラ導波路の遠方界の電界分布において、そのメイン・ピークの振幅、位相を基準として、第１サイド・ピークの振幅、位相を、ｓｉｎｃ関数との近似尺度として考えればよい。つまり、本発明は、アレイ導波路格子型光合分波回路において、パラボラ導波路の遠方界の電界分布をｓｉｎｃ関数との近似尺度として規定することにより、等位相で矩形状の電界分布とし、平坦なパスバンドの透過特性及び低波長分散を実現するものである。
【００２０】
実際のパラボラ導波路の遠方界の電界分布において、そのメイン・ピークの振幅、位相に対する第１サイド・ピークの振幅、位相を、ｓｉｎｃ関数との近似尺度として考えるために図示したものが図３である。これは、メイン・ピークの振幅を１とした場合の第１サイド・ピークの振幅を振幅比とし、メイン・ピークの位相に対する第１サイド・ピークの位相の差を相対位相として、変数ζに対してそれぞれプロットしたものである。この変数ζは、パラボラ導波路の構造を示すパラメータであり、従来のパラボラ導波路の設計値の長さがζ＝１となるように規格化したものであり、パラボラ導波路の長さｚ0に相関する変数である。
【００２１】
次に、変数ζにより構造が特定されたパラボラ導波路を有し、パスバンドが拡大されたアレイ導波路格子型光合分波回路での波長分散特性を図４に示す。図４でも、パラボラ導波路の構造を示すパラメータとして変数ζを用い、その変数ζに対する波長分散をプロットした。又、これは、チャネル内で最も大きな波長分散を与える波長（例えば、図１１中の１５５０ｎｍ付近の波長）について、パラボラ導波路の構造を示す変数ζへの波長分散の依存性を示したものである。なお、このアレイ導波路格子型光合分波回路は、チャネル間隔が５０ＧＨｚである。
【００２２】
図４のグラフに示すように、変数ζを特定の設定値にすると、従来と比較して波長分散が大幅に低減されることがわかる。つまり、パラボラ導波路の構造を示す変数ζを適切に設定することで、パラボラ導波路の遠方界の電界分布を適切に規定することとなり、結果的に波長分散値が低減されることを意味する。具体的には、「パラボラ導波路の遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの振幅絶対値の比が０．２５以下」である、又、「パラボラ導波路の遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの相対位相が３．５ラジアン以内」である条件の下で（図３参照）、変数ζが波長分散を低減する最適な値となる。したがって、従来からパラボラ導波路が有していた透過波長の広帯域特性と、従来は同時に実現することがなかった低波長分散特性とを、同時に実現することができる。
【００２３】
更に、従来は、波長分散を導出するためには、アレイ導波路格子型光合分波回路全体を数値計算等によって解析し、その伝達関数の位相角の２階微分より、波長分散を導出していた。しかし、本発明では、変数ζを用いることにより、波長分散を導出する手順が省略できるため、パラボラ導波路の長さを適切に決定する指針を与えることができ、光回路製造における設計時間を大幅に短縮することができる。
【００２４】
図５に、上記効果を実現する本発明に係る実施形態の一例となるアレイ導波路格子型光合分波回路の構成図を示し、図面を参照して詳細に説明する。
【００２５】
図５（ａ）に示す本発明に係るアレイ導波路格子型光合分波回路は、図８に示した従来のアレイ導波路格子型光合分波回路と略同等の構成でよい。即ち、第１の光導波路となる入力導波路１と、入力導波路１に接続された第１のスラブ導波路２と、第１のスラブ導波路２に接続され、所定の導波路長差で順次長くなる複数の光導波路からなるアレイ導波路３と、アレイ導波路３に接続された第２のスラブ導波路４と、第２のスラブ導波路４に複数接続された第２の光導波路となる出力導波路５とを有する。これらは、平面な基板１０上に形成された屈折率の高いコアとその回りのクラッドから成る光導波路を用いて構成されている。なお、入力導波路１は複数でもよい。
【００２６】
又、入力導波路１と第１のスラブ導波路２の間に、放物線状のパラボラ導波路６を設けてある。このパラボラ導波路６も、図９（ｂ）に示したものと同等のものでよく、Ａを係数、ｗ0を入力導波路１の幅、ｚ0を第１のスラブ導波路２からのパラボラ導波路６の長さとすると、第１のスラブ導波路２に接する入力光導波路１の幅ｗが、光波の伝搬軸ｚに対して、以下の数式で規定されるものである（図５（ｂ）参照）。
【数７】
【００２７】
但し、本発明では、上記数式（１）に規定されるパラボラ導波路の構造を、図３、図４に示したグラフより、波長分散の小さい変数ζになるようにｚ0を設定する。つまり、パラボラ導波路の遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの振幅絶対値の比が０．２５以下であること、又、遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの相対位相が３．５ラジアン以内であることが条件となる。更に、相対位相がπラジアン以上であること、つまり、パラボラ導波路の遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの振幅の符号が反転していればより望ましい。
【００２８】
又、本発明に係るアレイ導波路格子型光合分波回路では、第２のスラブ導波路４と出力導波路５との間に、更に、テーパ状のテーパ導波路７を設けてある。このテーパ導波路７は、Ａ’を係数、ｗ’0を出力導波路５の幅、ｚ’0を第２のスラブ導波路４からのテーパ導波路７の長さとすると、第２のスラブ導波路４に接する出力光導波路５の幅ｗ’が、光波の伝搬軸ｚに対して、以下の数式で規定されるものである（図５（ｃ）参照）。
【数８】
なお、上記テーパ導波路は、Ａ’＝０の場合、つまり、テーパ導波路の傾きが０である平行な光導波路を含み、必ずしもテーパ形状である必要はない。
【００２９】
次に、本発明に係る光回路の導波路の作製方法を、図６を用いて簡単に説明する。
【００３０】
平面基板となるシリコン基板１１上に火炎堆積法でＳｉＯ2を主体にした下部クラッドガラススート１２、ＳｉＯ2にＧｅＯ2を添加したコアガラススート１３を堆積する（図６の（ａ）参照）。
【００３１】
その後、１０００℃以上の高温でガラス透明化を行い、下部クラッドガラススート１２は下部クラッドガラス層１４となり、コアガラススート１３はコアガラス１５となる。この時に、下部クラッドガラス層１４は３０μｍ厚、コアガラス１５は７μｍ厚となるように、下部クラッドガラススート１２、コアガラススート１３の堆積は行われている（図６の（ｂ））。
【００３２】
引き続き、フォトリソグラフィ技術を用いてコアガラス１５上にエッチングマスク１６を形成し（図６の（ｃ））、反応性イオンエッチングによってコアガラス１５のパターン化を行う（図６の（ｄ））。ここで、図５に示すような形状の光導波路を形成することとなる。
【００３３】
エッチングマスク１６を除去した後、上部クラッドガラス１７を再度火炎堆積法で形成する。上部クラッドガラス１７にはＢ2Ｏ3やＰ2Ｏ5などのドーパントを添加してガラス転移温度を下げ、パターン化されたコアガラス１５同士の狭い隙間にも上部クラッドガラス１７が入り込むようにしている（図６の（ｅ））。
【００３４】
上記光回路は、本発明に係る実施形態の一例として、光導波路がシリコンの平面基板上の石英系ガラス光導波路で構成されているアレイ導波路格子型光合分波回路を示したものであるが、その光導波路の材料がポリイミド、シリコーン、半導体、ＬｉＮｂＯ3などであっても本発明は適用可能である。また、平面基板もシリコンに限定するものではない。
【００３５】
本発明に基づいて設計したチャネル間隔５０ＧＨｚのアレイ導波路格子型光合分波回路の波長分散特性及び損失を図７に示す。図７に示すように、本発明に係るアレイ導波路格子型光合分波回路では、−１５ｐｓ／ｎｍ以下の低波長分散特性が実現されると共に、波長に対する波長分散を３ｄＢ帯域内で略平坦化することもできた。この波長分散は、図４に示した従来設計による分散値−５８ｐｓ／ｎｍと比較して、略１／４（約２６％）まで大きく低減されている。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、アレイ導波路格子型光合分波回路の透過波長のパスバンドを拡大すると共に、従来同時に達成することができなかった波長分散の低減を実現することができ、又、波長に対する波長分散のばらつきも略平坦化することができる。更に、従来技術において明らかでなかったパラボラ導波路の設計指針を与えることによって、設計の効率化を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なｓｉｎｃ関数の振幅及び位相を示すグラフである。
【図２】パラボラ導波路の遠方界の振幅及び位相を示すグラフである。
【図３】メイン・ピークに対する第１サイド・ピークの振幅及び位相とパラボラ導波路の構造を示す変数ζとの関係を示すグラフである。
【図４】波長分散とパラボラ導波路の構造を示す変数ζとの関係を示すグラフである。
【図５】本発明に係る実施形態の一例を示すアレイ導波路格子型光合分波回路の構成図である。（ａ）は全体図であり、（ｂ）はパラボラ導波路の構成図、（ｃ）はテーパ導波路の構成図である。
【図６】本発明に係るアレイ導波路格子型光合分波回路の製造工程を示す図である。
【図７】本発明に係るアレイ導波路格子型光合分波回路の波長分散特性及び損失を示すグラフである。
【図８】従来のアレイ導波路格子型光合分波回路の構成図である。
【図９】従来のパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の構成図である。（ａ）は全体図であり、（ｂ）はパラボラ導波路の構成図である。
【図１０】パラボラ導波路の光フィールドの分布図である。
【図１１】従来のパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の波長分散特性及び損失を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 入力導波路
２ 第１のスラブ導波路
３ アレイ導波路
４ 第２のスラブ導波路
５ 出力導波路
６ パラボラ導波路
７ テーパ導波路
１０ 基板
１１ シリコン基板
１２ 下部クラッドガラススート
１３ コアガラススート
１４ 下部クラッドガラス層
１５ コアガラス
１６ エッチングマスク
１７ 上部クラッドガラス
Claims (2)
- 平面基板上の屈折率の高いコアとその回りのクラッドから成る光導波路を用いて構成され、
複数の第１の光導波路と、前記第１の光導波路に接続された第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に接続され、所定の導波路長差で順次長くなる複数の光導波路からなるアレイ導波路と、前記アレイ導波路に接続された第２のスラブ導波路と、前記第２のスラブ導波路に接続された複数の第２の光導波路とを有するアレイ導波路格子型光合分波回路において、
前記第１のスラブ導波路に接する前記第１の光導波路の幅ｗが、光波の伝搬軸ｚに対して、Ａを係数、ｗ０を前記第１の光導波路の幅、ｚ０を前記第１のスラブ導波路からの長さとすると、
前記第２のスラブ導波路に接する前記第２の光導波路の幅ｗ’が、光波の伝搬軸ｚに対して、Ａ’を係数、ｗ’０を前記第２の光導波路の幅、ｚ’０を前記第２のスラブ導波路からの長さとすると、
前記パラボラ導波路の遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの振幅絶対値の比が０．１８以上、０．２２以下の範囲であり、かつ、前記パラボラ導波路の遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの相対位相が−２．９ラジアン以上、−２．０ラジアン以下の範囲であるように、前記長さｚ０を設定したことを特徴とするアレイ導波路格子型光合分波回路。 - 請求項１記載のアレイ導波路格子型光合分波回路において、
前記光導波路は、シリコンの平面基板上の石英系ガラス光導波路で構成されていることを特徴とするアレイ導波路格子型光合分波回路。
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