JP3884287B2 - アレイ導波路回折格子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野などに使用されるアレイ導波路回折格子に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
近年、光通信においては、その伝送容量を飛躍的に増加させる方法として、高密度波長多重伝送（Ｄ−ＷＤＭ）の研究開発が盛んに行なわれ、実用化が進みつつある。この高密度波長多重伝送は、例えば互いに異なる波長を有する複数の光を波長多重化して伝送させるものであり、高密度波長多重伝送システムにおいて、その中核を成す技術の一つが光波長合分波器である。
【０００３】
高密度波長多重伝送システムにおいて、光波長合分波器は、その名の通り、半導体レーザからの異なる波長の光信号を合波する光合波器と、異なる波長の光信号が多重化された波長多重光信号から波長ごとの光信号を取り出す光分波器とに分けられる。
【０００４】
光波長合分波器を実現する方法は様々あるが、この中でも、多波長を一括で合分波できるデバイスとして、アレイ導波路回折格子が注目されている。アレイ導波路回折格子は、例えば図９に示すように、シリコンなどの基板１１上に、同図に示すような導波路構成を有する導波路形成領域１０を石英系ガラス等より形成したものである。
【０００５】
アレイ導波路回折格子の導波路構成は、少なくとも１本の光入力導波路１２と、該光入力導波路１２の出力側に接続された第１スラブ導波路１３と、該第１スラブ導波路１３の出力側に接続され、互いに設定量異なる長さの複数並設されたチャネル導波路１４ａから成るアレイ導波路１４と、該アレイ導波路１４の出力側に接続された第２スラブ導波路１５と、該第２スラブ導波路１５の出力側に複数並設接続された光出力導波路１６とを有している。
【０００６】
前記アレイ導波路１４は、第１スラブ導波路１３から導出された光を伝搬するものであり、互いに異なる長さに形成され、隣り合うチャンネル導波路１４ａの長さは互いにΔＬ異なっている。
【０００７】
なお、光出力導波路１６は、例えばアレイ導波路回折格子によって分波あるいは合波される互いに異なる波長の信号光の数に対応させて設けられるものであり、チャンネル導波路１４ａは、通常、例えば１００本といったように多数設けられるが、同図においては、図の簡略化のために、これらの光出力導波路１６、チャンネル導波路１４ａおよび光入力導波路１２の各々の本数を簡略的に示してある。
【０００８】
また、図１０の概略図に示すように、従来のアレイ導波路回折格子においては、やや曲線形状の光入力導波路１２の出力側のほぼ直線形状部分が第１スラブ導波路１３の入力側に直接接続されている。また、同様に、第２スラブ導波路１５の出力側に、やや曲線形状の光出力導波路１６の入力側のほぼ直線形状部分が直接接続されている。
【０００９】
光入力導波路１２には、例えば送信側の光ファイバ（図示せず）が接続されて、波長多重光が導入されるようになっており、１本の光入力導波路１２を通って第１スラブ導波路１３に導入された光は、その回折効果によって広がってアレイ導波路１４に入力し、アレイ導波路１４を伝搬する。
【００１０】
このアレイ導波路１４を伝搬した光は、第２スラブ導波路１５に達し、さらに、光出力導波路１６に集光されて出力されるが、アレイ導波路１４の隣り合うチャンネル導波路１４ａの長さが互いに設定量異なることから、アレイ導波路１４を伝搬した後に個々の光の位相にずれが生じ、このずれ量に応じて集束光の波面が傾き、この傾き角度により集光する位置が決まる。
【００１１】
そのため、波長の異なった光の集光位置は互いに異なることになり、その位置に光出力導波路１６を形成することによって、波長の異なった光（分波光）を各波長ごとに異なる光出力導波路１６から出力できる。
【００１２】
すなわち、アレイ導波路回折格子は、光入力導波路１２から入力される互いに異なる複数の波長をもった多重光から１つ以上の波長の光を分波して各光出力導波路１６から出力する光分波機能を有しており、分波される光の中心波長は、アレイ導波路１４の隣り合うチャンネル導波路１４ａの長さの差（ΔＬ）及びアレイ導波路１４の実効屈折率（等価屈折率）ｎｃに比例する。
【００１３】
例えば図９に示すように、１本の光入力導波路１２から波長λ１，λ２，λ３，・・・λｎ（ｎは２以上の整数）を持った波長多重光を入力させると、これらの各波長の光は、第１スラブ導波路１３で広げられ、アレイ導波路１４に到達する。その後、光は、アレイ導波路１４と第２スラブ導波路１５を通って、前記の如く、波長によって異なる位置に集光され、互いに異なる光出力導波路１６に入力し、それぞれの光出力導波路１６を通って、光出力導波路１６の出力端から出力される。
【００１４】
そして、各光出力導波路１６の出力端にそれぞれ光出力用の光ファイバ（図示せず）を接続することにより、この光ファイバを介して、前記各波長の光が取り出される。なお、各光出力導波路１６や前述の光入力導波路１２に光ファイバを接続するときには、例えば光ファイバの接続端面を１次元アレイ状に配列固定した光ファイバアレイを用意し、この光ファイバアレイを光出力導波路１６や光入力導波路１２の接続端面側に固定して光ファイバと光出力導波路１６及び光入力導波路１２を接続する。
【００１５】
上記アレイ導波路回折格子において、各光出力導波路１６から出力される光の光透過特性（アレイ導波路回折格子の透過光強度の波長特性）は、例えば図１１に示すようになり、各光透過中心波長（例えばλ１，λ２，λ３，・・・λｎ）を中心とし、それぞれの対応する光透過中心波長から波長がずれるにしたがって光透過率が小さくなる光透過特性を示す。
【００１６】
さらに、アレイ導波路回折格子は、光の相反性（可逆性）の原理を利用しているため、上記のような光分波器としての機能と共に、光合波器としての機能も有している。すなわち、図９とは逆に、図８に示すように、互いに異なる複数の波長の光をそれぞれの波長ごとにそれぞれの光出力導波路１６から入力すると、これらの光は、上記と逆の伝搬経路を通り、アレイ導波路１４及び第１スラブ導波路１３によって合波され、１本の光入力導波路１２から出力される。
【００１７】
アレイ導波路回折格子を始めとする光波長合分波器は、上記のように、一般に、光分波器としての機能と光合波器としての機能を併せ持っている。そこで、従来は、図９に示したように光分波器として適用される光波長合分波器を、例えば光の通過方向を逆にして、図８に示したように、光合波器として使用していた。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に、光合波器に求められる特性は、光分波器に求められる特性と異なる。光分波器に要求される非常に重要なことは、他のチャンネルへの光の漏話を規定する隣接クロストーク特性を良好にすることであるが、光合波器には、クロストーク特性よりも通過帯域の広帯域化を実現することが要求される。
【００１９】
つまり、光合波器には、多波長化、低損失化、通過帯域の広帯域化等の様々な特性が要求されているが、中でも、通過帯域の広帯域化が非常に重要である。なお、光合波器に要求されるクロストークは、ＡＳＥのノイズレベルがカットできる程度（−１５ｄＢ以下程度）である。
【００２０】
したがって、光分波器としての特性が良好な光波長合分波器が、必ずしも光合波器として良好な特性を有しているとは限らない。しかし、前記の如く、従来は、光分波器として適用される光波長合分波器を光合波器として使用しており、光合波器として最適な構成の光波長合分波器は提案されていなかった。
【００２１】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、通過帯域の広帯域化を十分に図ることができ、光合波器として最適なアレイ導波路回折格子を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、第１の発明は、少なくとも１本の光入力導波路と、該光入力導波路の出力側に接続された第１スラブ導波路と、該第１スラブ導波路の出力側に接続され、互いに設定量異なる長さの複数並設されたチャネル導波路から成るアレイ導波路と、該アレイ導波路の出力側に接続された第２スラブ導波路と、該第２スラブ導波路の出力側に接続されて複数並設された光出力導波路とを有し、光入力導波路から入力される互いに異なる複数の波長をもった多重光から各波長の光を分波して各光出力導波路から出力する光分波機能と、各光出力導波路にそれぞれ入力された異なる波長の光を合波して１本の光入力導波路から出力する光合波機能とを有し、前記光入力導波路のうち少なくとも１本の光入力導波路の第１スラブ導波路側端部は、光入力導波路１本につき１個の独立した個別の第１シングルモード端部幅導波路を介して前記第１スラブ導波路に接続され、前記第１シングルモード端部幅導波路の光入力導波路側端部幅は対応する光入力導波路の幅よりも広幅で、かつ、シングルモード条件を満たす幅を有し、前記第１シングルモード端部幅導波路は少なくとも一部分に前記第１スラブ導波路側に向かうにつれて拡幅する形状の拡幅導波路を有して前記光入力導波路側端部幅よりも前記第１スラブ導波路に接続される第１スラブ導波路側端部の幅が広幅と成しており、前記複数の光出力導波路の第２スラブ導波路側端部は、光出力導波路１本につき１個の独立した個別の第２シングルモード端部幅導波路を介して前記第２スラブ導波路に接続され、前記第２シングルモード端部幅導波路の光出力導波路側端部幅は対応する光出力導波路の幅よりも広幅で、かつ、シングルモード条件を満たす幅を有し、前記第２シングルモード端部幅導波路は少なくとも一部分に前記第２スラブ導波路側に向かうにつれて拡幅する形状の拡幅導波路を有して前記光出力導波路側端部幅よりも前記第２スラブ導波路に接続される第２スラブ導波路側端部の幅が広幅と成しており、前記第１シングルモード端部幅導波路の第１スラブ導波路側の端部幅よりも前記第２シングルモード端部幅導波路の第２スラブ導波路側の端部幅を広幅と成している構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２３】
また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、少なくとも１本の光入力導波路と対応する拡幅導波路の間と、複数の光出力導波路と対応する拡幅導波路の間の少なくとも一方には、対応する拡幅導波路の狭幅端の幅と同じ幅の等幅導波路が形成されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２４】
さらに、第３の発明は、上記第１の発明の構成に加え、少なくとも１本の光入力導波路と対応する拡幅導波路の間と、複数の光出力導波路と対応する拡幅導波路の間の少なくとも一方には、対応する拡幅導波路の狭幅端の幅と同じ幅の等幅導波路が形成されており、この等幅導波路に対応する光入力導波路と光出力導波路の少なくとも一方と等幅導波路との間には、前記対応する光入力導波路または対応する光出力導波路の幅よりも狭幅の狭幅直線導波路が設けられている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２５】
さらに、第４の発明は、上記第１乃至第３のいずれか一つの発明の構成に加え、前記拡幅導波路は台形状導波路である構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略又は簡略化する。
【００２７】
図１には、本発明に係るアレイ導波路回折格子の第１実施形態例の要部構成図が、その動作と共に模式的に示されている。
【００２８】
本実施形態例のアレイ導波路回折格子が従来例と異なる特徴的な構成は、図１および図２の（ａ）、（ｂ）に示すように、各光入力導波路１２の第１スラブ導波路１３側の構成と各光出力導波路１６の第２スラブ導波路１５側の構成を以下に述べる構成としたことである。
【００２９】
なお、図２の（ａ）には、１本の光入力導波路１２の端部が具体的に示されており、図２の（ｂ）には、１本の光出力導波路１６の端部が具体的に示されている。
【００３０】
図１、図２の（ａ）に示すように、本実施形態例のアレイ導波路回折格子において、光入力導波路１２のうち少なくとも１本以上（ここでは全部）の光入力導波路１２の第１スラブ導波路１３側端部は、光入力導波路１２の１本につき１個の独立した個別の第１シングルモード端部幅導波路５ａを介して前記第１スラブ導波路１３に接続されている。
【００３１】
第１シングルモード端部幅導波路５ａの光入力導波路側端部４ａの幅は、対応する光入力導波路１２の幅よりも広幅で、かつ、シングルモード条件を満たす幅を有する。また、第１シングルモード端部幅導波路５ａは、少なくとも一部分に第１スラブ導波路１３側に向かうにつれて拡幅する形状の拡幅導波路７ａを有している。本実施形態例においては、第１シングルモード端部幅導波路５ａは拡幅導波路７ａにより形成されており、この拡幅導波路７ａは、台形状導波路である。
【００３２】
図１、図２の（ｂ）に示すように、本実施形態例において、複数の出力導波路１６の全ての第２スラブ導波路１５側端部は、光出力導波路１６の１本につき１個の独立した個別の第２シングルモード端部幅導波路５ｂを介して前記第２スラブ導波路１５に接続されている。
【００３３】
第２シングルモード端部幅導波路５ｂの光出力導波路側端部４ｂの幅は、対応する光出力導波路１６の幅よりも広幅で、かつ、シングルモード条件を満たす幅を有する。また、第２シングルモード端部幅導波路５ｂは、少なくとも一部分に第２スラブ導波路１５側に向かうにつれて拡幅する形状の拡幅導波路７ｂを有している。本実施形態例においては、第２シングルモード端部幅導波路５ｂは拡幅導波路７ｂにより形成されており、この拡幅導波路７ｂは、台形状導波路である。
【００３４】
図２の（ａ）に示すように、本実施形態例において、各光入力導波路１２の幅はＢＷ、第１シングルモード端部幅導波路５ａの光入力導波路側端部４ａの幅はＷ１ａである。第１シングルモード端部幅導波路５ａは、第１スラブ導波路１３側に向かうにつれて、テーパ角度θ１で拡幅しており、第１シングルモード端部幅導波路５ａを形成する拡幅導波路７ａ（台形状導波路）の斜辺３ａはほぼ直線状（実質的にほぼ直線）と成している。
【００３５】
第１シングルモード端部幅導波路５ａの幅は、その全領域において、対応する光入力導波路１２の幅よりも広幅と成し、第１シングルモード端部幅導波路５ａの第１スラブ導波路側端部６ａの幅（拡幅端幅）はＷ２ａである。
【００３６】
図２の（ｂ）に示すように、本実施形態例において、各光出力導波路１６の幅はＢＷ、第２シングルモード端部幅導波路５ｂの光出力導波路側端部４ｂの幅はＷ１ｂである。第２シングルモード端部幅導波路５ｂは、第２スラブ導波路１５側に向かうにつれてテーパ角度θ２で拡幅しており、第２シングルモード端部幅導波路５ｂを形成する拡幅導波路７ｂ（台形状導波路）の斜辺３ｂはほぼ直線状（実質的にほぼ直線）と成している。
【００３７】
第２シングルモード端部幅導波路５ｂの幅は、その全領域において、対応する光出力導波路１６の幅よりも広幅と成し、第２シングルモード端部幅導波路５ｂの第２スラブ導波路側端部６ｂの幅（拡幅端幅）はＷ２ｂである。
【００３８】
さらに、本実施形態例において、少なくとも前記第１シングルモード端部幅導波路５ａの第１スラブ導波路１３側の端部幅Ｗ２ａと、前記第２シングルモード端部幅導波路５ｂの第２スラブ導波路１５側の端部幅Ｗ２ｂとが互いに異なる。
【００３９】
すなわち、本実施形態例のアレイ導波路回折格子において、上記パラメータは、以下の表１に示すように形成されている。
【００４０】
【表１】
【００４１】
また、本実施形態例は、以下のようにして製造されている。まず、火炎加水分解堆積法を用いてシリコン基板１１上にアンダークラッド膜、コア膜を形成し、その後、図１に示すような構成のアレイ導波路回折格子の回路パターンが描かれたフォトマスクを介してフォトリソグラフィー、反応性イオンエッチング法を用いて、コアにフォトマスクの回路パターンを転写した。
【００４２】
その後、再度、火炎加水分解堆積法を用いてオーバークラッド膜を形成し、光合波器として機能するアレイ導波路回折格子を製造した。
【００４３】
本実施形態例は以上のように構成されており、本実施形態例では、図１に示すように、それぞれの光出力導波路１６から例えば波長λ１、λ２、λ３、・・・λｎの光を入力すると、これらの各波長の光は、第２シングルモード端部幅導波路５ｂを通って第２スラブ導波路１５に入力する。
【００４４】
そして、これらの各波長の光は、第２スラブ導波路１５、アレイ導波路１４、第１スラブ導波路１３を通って合波され、波長λ１、λ２、λ３、・・・、λｎを持った波長多重光となり、第１シングルモード端部幅導波路５ａを通って１つの光入力導波路１２に入力し、この光入力導波路１２から出力される。
【００４５】
ところで、アレイ導波路回折格子において、その通過スペクトル形状は、概略、第１スラブ導波路１３の光入力導波路１２側の端部における光電界振幅分布と、第２スラブ導波路１５の光出力導波路１６側の端部における光電界振幅分布との重ね合わせで決定される。
【００４６】
そこで、本発明者は、第１スラブ導波路１３の光入力導波路１２側の端部における光電界振幅分布と、第２スラブ導波路１５の光出力導波路１６側の端部における光電界振幅分布に着目し、これらの光電界振幅分布の重ね合わせ形状を良好にすることを考え、上記構成を決定した。以下、上記光電界振幅分布についての検討について述べる。
【００４７】
本実施形態例は、光出力導波路１６の第２スラブ導波路１５側の端部に、上記構成の第２シングルモード端部幅導波路５ｂを設けているので、第２スラブ導波路１５の光出力導波路１６側の端部における光電界振幅分布は、例えば図４の（ａ）、（ｂ）の特性線ａのようになる。
【００４８】
なお、この特性線ａおよび、以下に述べる図４の特性線ｂ、特性線ｃは、いずれも、１つの波長を中心とした光の光電界振幅分布を示している。
【００４９】
図４の（ａ）、（ｂ）の特性線ａに示すように、光出力導波路１６の第２スラブ導波路１５側の端部に第２シングルモード端部幅導波路５ｂを設けると、第２スラブ導波路１５の光出力導波路１６側の端部における光電界振幅分布は、一山形状を呈し、その山頂付近における幅は広く、かつ、裾野部分（両端側）の立ち上がりが良好になる。
【００５０】
このことは、本発明者が以前に検討して明らかにしたものであり、その詳細は、本発明者による提案の、特願２０００−４００３６２に記載されている。なお、この提案は、未だ公開になっていない。
【００５１】
ここで、第１スラブ導波路１３と光入力導波路１２との接続部を、従来のアレイ導波路回折格子のように、本実施形態例における第１シングルモード端部幅導波路５ａを有していない構成とした場合、第１スラブ導波路１３の光入力導波路１２側の端部における光電界振幅分布は、図４の（ｂ）の特性線ｃに示すようになる。つまり、第１スラブ導波路１３の光入力導波路１２側の端部における光電界振幅分布は、その山頂付近における幅が、図４の特性線ａに比べて非常に狭くなる。
【００５２】
したがって、これら図４の（ｂ）の特性線ａと特性線ｃの重ね合わせ領域は、図４の（ｂ）の斜線部に示す領域となり、特性線ｃに示した光電界振幅分布に比べれば、その山頂付近における幅は広くなっているが、山頂付近の幅が大幅に広くはなっていない。
【００５３】
また、図４の（ａ）の特性線ｂは、本実施形態例のように、第１スラブ導波路１３と光入力導波路１２との接続部に、第１シングルモード端部幅導波路５ａを設けた場合の、第１スラブ導波路１３の光入力導波路１２側の端部における光電界振幅分布を示す。この特性線ｂも山頂付近の幅が広くなっている。なお、第１シングルモード端部幅導波路５ａの拡幅端幅と第２シングルモード端部幅導波路ｂの拡幅端幅は互いに異なるので、図４の（ａ）の特性線ａと特性線ｂの幅や高さは互いに異なる。
【００５４】
そして、図４の（ａ）の特性線ａと特性線ｂの重ね合わせ領域は、図４の（ａ）の斜線部に示す領域となり、図４の（ｂ）の斜線部で示した領域に比べ、その山頂付近における幅が非常に広くなっている。
【００５５】
つまり、本実施形態例のように、光出力導波路１６の第２スラブ導波路１５側の端部に、上記構成の第２シングルモード端部幅導波路５ｂを設け、かつ、光入力導波路１２の第１スラブ導波路１３側端部に、上記構成の第１シングルモード端部幅導波路５ａを設けたアレイ導波路回折格子は、光通過帯域が広く、光合波器に最適なアレイ導波路回折格子となることが分かった。
【００５６】
また、本実施形態例のアレイ導波路回折格子は、上記のように、第１スラブ導波路１３の光入力導波路１２側の端部における光電界振幅分布と、第２スラブ導波路１５の光出力導波路１６側の端部における光電界振幅分布との重ね合わせ領域を広くできるので、モードフィールドミスマッチ損失を減少させることができ、低損失化を図ることができる。
【００５７】
さらに、本実施形態例のアレイ導波路回折格子は、少なくとも前記第１シングルモード端部幅導波路５ａの第１スラブ導波路１３側の端部幅Ｗ２ａと、前記第２シングルモード端部幅導波路５ｂの第２スラブ導波路１５側の端部幅Ｗ２ｂとが互いに異なる。したがって、図４の（ａ）の斜線で示した領域は、特性線ａに比べて、裾野部分（両端側）の立ち上がりが良好になり、クロストークを許容範囲（例えば−１５ｄＢ以下）に維持できる。
【００５８】
図３の特性線ａには、本実施形態例のアレイ導波路回折格子の通過スペクトル例が示されている。また、同図の特性線ｂには、従来例における通過スペクトルが示されている。なお、これらの特性線は、１つの波長を中心とした光の通過スペクトルを規格化して示したものである。
【００５９】
図３の特性線ａに示すように、本実施形態例のアレイ導波路回折格子は従来例に比べ、通過帯域が広帯域化できており、損失やクロストークは従来例と遜色なく、光合波器として最適なアレイ導波路回折格子を実現することができた。
【００６０】
次に、本発明に係るアレイ導波路回折格子の第２実施形態例について説明する。第２実施形態例のアレイ導波路回折格子は上記第１実施形態例とほぼ同様に構成されており、第２実施形態例が上記第１実施形態例と異なる特徴的なことは、図５の（ａ）に示すように、各光入力導波路１２の第１スラブ導波路１３側を構成し、同図の（ｂ）に示すように、各光出力導波路１６の第２スラブ導波路１５側を構成したことである。
【００６１】
つまり、第２実施形態例において、少なくとも１本（ここでは全部）の光入力導波路１２の少なくとも１本（ここでは全部）と対応する拡幅導波路７ａの間と、複数の光出力導波路１６の全てと対応する拡幅導波路７ｂの間の少なくとも一方（ここでは両方）に、対応する拡幅導波路７ａ，７ｂの狭幅端の幅と同じ幅の等幅導波路８ａ，８ｂが設けられて、それぞれ、第１、第２シングルモード端部幅導波路５ａ，５ｂが形成されている。
【００６２】
また、第２実施形態例では、上記等幅導波路８ａ，８ｂに対応する光入力導波路１２と光出力導波路１６の少なくとも一方と等幅導波路８ａ，８ｂとの間には、前記対応する光入力導波路１２または対応する光出力導波路１６の幅よりも狭幅の狭幅直線導波路１ａ，１ｂが設けられている。
【００６３】
本第２実施形態例のアレイ導波路回折格子において、等幅導波路８ａ，８ｂの幅ＥＷは、拡幅導波路７ａ，７ｂの狭幅端幅Ｗ１ａ，Ｗ１ｂと等しく、等幅導波路８ａ，８ｂの長さは、共にＥＬ、狭幅直線導波路１ａ，１ｂの幅はＮＷ、長さはＮＬである。
【００６４】
上記パラメータおよび、光入力導波路１２、光出力導波路１６の幅、拡幅導波路７ａの第１スラブ導波路側端部６ａの幅（拡幅端幅）Ｗ２ａ、拡幅導波路７ｂの第２スラブ導波路側端部６ｂの幅（拡幅端幅）Ｗ２ｂ、テーパ角度θ２は、以下の表２に示すように形成されている。
【００６５】
【表２】
【００６６】
第２実施形態例のアレイ導波路回折格子の製造方法は、フォトマスク形状と、このフォトマスクを用いて転写される回路パターンを異なるものとした以外は、上記実施形態例と同様である。
【００６７】
第２実施形態例において、等幅導波路８ａ，８ｂと拡幅導波路７ａ，７ｂから成る第１と第２シングルモード端部幅導波路５ａ，５ｂは、上記第１実施形態例における第１と第２シングルモード端部幅導波路５ａ，５ｂと同様に機能するので、第２実施形態例も上記第１実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【００６８】
また、第２実施形態例は、第２シングルモード端部幅導波路５ｂと光出力導波路１６との間に狭幅直線導波路１ｂを設けているので、光出力導波路１６が曲線部を有していて、光出力導波路１６に入力された光がこの曲線部を伝搬するときに光強度分布の中心位置が光出力導波路幅方向中心位置からずれたとしても、狭幅直線導波路１ｂを通るときに光強度分布の中心位置を直線導波路中心に移動させることができる。
【００６９】
したがって、上記入力光の強度中心を第２シングルモード端部幅導波路５ｂの幅方向中心に入力できるため、第２シングルモード端部幅導波路５ｂを出力する光強度分布形状を全体的に歪みの無いものとすることができる。
【００７０】
図６の特性線ａには、第２実施形態例のアレイ導波路回折格子の通過スペクトル例が示されている。また、同図の特性線ｂには前記従来例における通過スペクトルが示されている。なお、これらの特性線は、１つの波長を中心とした光の通過スペクトルを規格化して示したものである。
【００７１】
図６の特性線ａに示すように、本実施形態例のアレイ導波路回折格子は従来例に比べ、通過帯域が広帯域化できており、損失やクロストークは従来例と遜色なく、光合波器として最適なアレイ導波路回折格子を実現することができた。
【００７２】
次に、本発明に係るアレイ導波路回折格子の第３実施形態例について説明する。第３実施形態例のアレイ導波路回折格子は上記第１実施形態例とほぼ同様に構成されており、第３実施形態例が上記第１実施形態例と異なる特徴的なことは、第１、第２シングルモード端部幅導波路５ａ，５ｂの幅やテーパ角度θ１、θ２を上記第１実施形態例と異なる値にしたことである。
【００７３】
つまり、表１および図２に示したように、上記第１実施形態例では、第１シングルモード端部幅導波路５ａと第２シングルモード端部幅導波路５ｂは、そのテーパ角度θ１、θ２を互いに同じ値とし、その長さを異なる値とすることにより、第１シングルモード端部幅導波路５ａの拡幅端幅Ｗ２ａと第２シングルモード端部幅導波路５ｂの拡幅端幅Ｗ２ｂを異なる値にした。
【００７４】
それに対し、表３に示すように、第３実施形態例では、第１シングルモード端部幅導波路５ａと第２シングルモード端部幅導波路５ｂのテーパ角度θ１、θ２を互いに異なる値とし、第１シングルモード端部幅導波路５ａと第２シングルモード端部幅導波路５ｂの拡幅端幅Ｗ２ａとＷ２ｂも異なる値にした。
【００７５】
【表３】
【００７６】
上記以外の第３実施形態例の構成は上記第１実施形態例と同様に構成されており、第３実施形態例も上記第１実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【００７７】
図７の特性線ａには、第３実施形態例のアレイ導波路回折格子の通過スペクトル例が示されている。また、同図の特性線ｂには前記従来例における通過スペクトルが示されている。なお、これらの特性線は、１つの波長を中心とした光の通過スペクトルを規格化して示したものである。
【００７８】
図７の特性線ａに示すように、本実施形態例のアレイ導波路回折格子は従来例に比べ、通過帯域が広帯域化できており、損失やクロストークは従来例と遜色なく、光合波器として最適なアレイ導波路回折格子を実現することができた。
【００７９】
なお、本発明は上記各実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば上記各実施形態例では、全ての光入力導波路１２の第１スラブ導波路１３側端部は、光入力導波路１本につき１個の独立した個別の第１シングルモード端部幅導波路５ａを介して前記第１スラブ導波路１３に接続されていたが、少なくとも１本の光入力導波路１２の第１スラブ導波路１３側が、光入力導波路１本につき１個の独立した個別の第１シングルモード端部幅導波路５ａを介して前記第１スラブ導波路１３に接続されていればよい。
【００８０】
また、上記第２実施形態例では、全ての光入力導波路１２と等幅導波路８ａとの間に狭幅直線導波路１ａを設け、全ての光出力導波路１６と等幅導波路８ｂとの間に狭幅直線導波路１ｂを設けたが、少なくとも１本の光入力導波路１２の全本数未満の光入力導波路１２と対応する等幅導波路８ａとの間に狭幅直線導波路１ａを設けてもよい。
【００８１】
さらに、上記第２実施形態例のように第１、第２シングルモード端部幅導波路５ａ，５ｂの少なくとも一方を、等幅導波路８ａ，８ｂを設けて構成する場合に、狭幅直線導波路１ａ，１ｂを省略してもよい。この場合も、上記第１、第３実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【００８２】
さらに、本発明において、拡幅導波路の幅や長さやテーパ角度、直線状導波路の長さや幅、等幅導波路の長さ等は、特に限定されることはなく適宜設定されるものであり、例えば光電界振幅分布のシミュレーション結果等に基づいて、アレイ導波路回折格子の仕様に合わせて上記各値を設定することにより、上記各実施形態例のような優れた効果を奏するアレイ導波路回折格子を実現することができる。
【００８３】
さらに、本発明のアレイ導波路回折格子に適用されるシングルモード端部幅導波路は必ずしも台形状導波路を有する構成とするとは限らない。シングルモード端部幅導波路は、対応する光入力導波路または光出力導波路側の幅がそれら対応する導波路の幅よりも広幅で、かつ、シングルモード条件を満たす端部幅を有し、この端部と反対側に向かうにつれて拡幅する形状の拡幅導波路を少なくとも一部分に有している構成とすればよい。
【００８４】
【発明の効果】
本発明によれば、光入力導波路と第１スラブ導波路との間に介設される第１シングルモード端部幅導波路の第１スラブ導波路側の端部幅よりも光出力導波路と第２スラブ導波路との間に介設される第２シングルモード端部幅導波路の第２スラブ導波路側の端部幅を広幅と成していることによって、概略、第１スラブ導波路の光入力導波路側の端部における光電界振幅分布と、第２スラブ導波路の光出力導波路側の端部における光電界振幅分布との重ね合わせで決定される通過スペクトル形状を中心付近の幅が広い形状にすることができる。
【００８５】
したがって、本発明のアレイ導波路回折格子は、通過帯域を広帯域化した、光合波器として最適なアレイ導波路回折格子を実現できる。さらに、本発明のアレイ導波路回折格子は、モードフィールドミスマッチ損失を減少でき、低損失化を図ることができ、さらにクロストークを一定の値以下に保つことができる。
【００８６】
また、本発明において、第１、第２シングルモード端部幅導波路を拡幅導波路を有する構成としたり、拡幅導波路と光入力導波路または光出力導波路の端部に設けた等幅導波路とを有する構成としたりすることにより、上記効果を奏するアレイ導波路回折格子を容易に構成できる。
【００８７】
さらに、本発明において、光入力導波路または光出力導波路の端部に設けた等幅導波路に対応する光入力導波路と光出力導波路の少なくとも一方と等幅導波路との間に、前記対応する光入力導波路または対応する光出力導波路の幅よりも狭幅の狭幅直線導波路を設けた構成によれば、狭幅直線導波路によって、光の強度中心をシングルモード端部幅導波路の幅方向中心に入力でき、このシングルモード端部幅導波路を出力する光強度分布形状を全体的に歪みの無いものとすることができる。
【００８８】
さらに、本発明において、拡幅導波路は台形状導波路とした構成によれば、簡単な構成で上記効果を効率的に発揮できるアレイ導波路回折格子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアレイ導波路回折格子の第１実施形態例を模式的に示す構成図である。
【図２】上記第１実施形態例における光入力導波路と光出力導波路の端部側構成を具体的に示す説明図である。
【図３】上記第１実施形態例の通過スペクトルを、シングルモード端部幅導波路を設けない従来例の通過スペクトルと共に示すグラフである。
【図４】アレイ導波路回折格子において光入力導波路と光出力導波路の両方の端部側にシングルモード端部幅導波路を設けた場合と、一方にのみシングルモード端部幅導波路を設けた場合の光電界振幅分布を説明する模式図である。
【図５】本発明に係るアレイ導波路回折格子の第２実施形態例における光入力導波路と光出力導波路の端部側構成を具体的に示す説明図である。
【図６】上記第２実施形態例の通過スペクトルを、シングルモード端部幅導波路を設けない従来例の通過スペクトルと共に示すグラフである。
【図７】本発明に係るアレイ導波路回折格子の第３実施形態例の通過スペクトルを、シングルモード端部幅導波路を設けない従来例の通過スペクトルと共に示すグラフである。
【図８】従来のアレイ導波路回折格子の構成例を、光合波器としての動作と共に模式的に示す説明図である。
【図９】従来のアレイ導波路回折格子の構成例を、光分波器としての動作と共に模式的に示す説明図である。
【図１０】従来のアレイ導波路回折格子における光入力導波路と第１スラブ導波路との接続部周辺構成を模式的に示す説明図である。
【図１１】アレイ導波路回折格子の通過スペクトルを模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ 狭幅直線導波路
５ａ 第１シングルモード端部幅導波路
５ｂ 第２シングルモード端部幅導波路
７ａ，７ｂ 拡幅導波路
８ａ，８ｂ 等幅導波路
１１ 基板
１２ 光入力導波路
１３ 第１スラブ導波路
１４ アレイ導波路
１４ａ チャンネル導波路
１５ 第２スラブ導波路
１６ 光出力導波路
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野などに使用されるアレイ導波路回折格子に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
近年、光通信においては、その伝送容量を飛躍的に増加させる方法として、高密度波長多重伝送（Ｄ−ＷＤＭ）の研究開発が盛んに行なわれ、実用化が進みつつある。この高密度波長多重伝送は、例えば互いに異なる波長を有する複数の光を波長多重化して伝送させるものであり、高密度波長多重伝送システムにおいて、その中核を成す技術の一つが光波長合分波器である。
【０００３】
高密度波長多重伝送システムにおいて、光波長合分波器は、その名の通り、半導体レーザからの異なる波長の光信号を合波する光合波器と、異なる波長の光信号が多重化された波長多重光信号から波長ごとの光信号を取り出す光分波器とに分けられる。
【０００４】
光波長合分波器を実現する方法は様々あるが、この中でも、多波長を一括で合分波できるデバイスとして、アレイ導波路回折格子が注目されている。アレイ導波路回折格子は、例えば図９に示すように、シリコンなどの基板１１上に、同図に示すような導波路構成を有する導波路形成領域１０を石英系ガラス等より形成したものである。
【０００５】
アレイ導波路回折格子の導波路構成は、少なくとも１本の光入力導波路１２と、該光入力導波路１２の出力側に接続された第１スラブ導波路１３と、該第１スラブ導波路１３の出力側に接続され、互いに設定量異なる長さの複数並設されたチャネル導波路１４ａから成るアレイ導波路１４と、該アレイ導波路１４の出力側に接続された第２スラブ導波路１５と、該第２スラブ導波路１５の出力側に複数並設接続された光出力導波路１６とを有している。
【０００６】
前記アレイ導波路１４は、第１スラブ導波路１３から導出された光を伝搬するものであり、互いに異なる長さに形成され、隣り合うチャンネル導波路１４ａの長さは互いにΔＬ異なっている。
【０００７】
なお、光出力導波路１６は、例えばアレイ導波路回折格子によって分波あるいは合波される互いに異なる波長の信号光の数に対応させて設けられるものであり、チャンネル導波路１４ａは、通常、例えば１００本といったように多数設けられるが、同図においては、図の簡略化のために、これらの光出力導波路１６、チャンネル導波路１４ａおよび光入力導波路１２の各々の本数を簡略的に示してある。
【０００８】
また、図１０の概略図に示すように、従来のアレイ導波路回折格子においては、やや曲線形状の光入力導波路１２の出力側のほぼ直線形状部分が第１スラブ導波路１３の入力側に直接接続されている。また、同様に、第２スラブ導波路１５の出力側に、やや曲線形状の光出力導波路１６の入力側のほぼ直線形状部分が直接接続されている。
【０００９】
光入力導波路１２には、例えば送信側の光ファイバ（図示せず）が接続されて、波長多重光が導入されるようになっており、１本の光入力導波路１２を通って第１スラブ導波路１３に導入された光は、その回折効果によって広がってアレイ導波路１４に入力し、アレイ導波路１４を伝搬する。
【００１０】
このアレイ導波路１４を伝搬した光は、第２スラブ導波路１５に達し、さらに、光出力導波路１６に集光されて出力されるが、アレイ導波路１４の隣り合うチャンネル導波路１４ａの長さが互いに設定量異なることから、アレイ導波路１４を伝搬した後に個々の光の位相にずれが生じ、このずれ量に応じて集束光の波面が傾き、この傾き角度により集光する位置が決まる。
【００１１】
そのため、波長の異なった光の集光位置は互いに異なることになり、その位置に光出力導波路１６を形成することによって、波長の異なった光（分波光）を各波長ごとに異なる光出力導波路１６から出力できる。
【００１２】
すなわち、アレイ導波路回折格子は、光入力導波路１２から入力される互いに異なる複数の波長をもった多重光から１つ以上の波長の光を分波して各光出力導波路１６から出力する光分波機能を有しており、分波される光の中心波長は、アレイ導波路１４の隣り合うチャンネル導波路１４ａの長さの差（ΔＬ）及びアレイ導波路１４の実効屈折率（等価屈折率）ｎｃに比例する。
【００１３】
例えば図９に示すように、１本の光入力導波路１２から波長λ１，λ２，λ３，・・・λｎ（ｎは２以上の整数）を持った波長多重光を入力させると、これらの各波長の光は、第１スラブ導波路１３で広げられ、アレイ導波路１４に到達する。その後、光は、アレイ導波路１４と第２スラブ導波路１５を通って、前記の如く、波長によって異なる位置に集光され、互いに異なる光出力導波路１６に入力し、それぞれの光出力導波路１６を通って、光出力導波路１６の出力端から出力される。
【００１４】
そして、各光出力導波路１６の出力端にそれぞれ光出力用の光ファイバ（図示せず）を接続することにより、この光ファイバを介して、前記各波長の光が取り出される。なお、各光出力導波路１６や前述の光入力導波路１２に光ファイバを接続するときには、例えば光ファイバの接続端面を１次元アレイ状に配列固定した光ファイバアレイを用意し、この光ファイバアレイを光出力導波路１６や光入力導波路１２の接続端面側に固定して光ファイバと光出力導波路１６及び光入力導波路１２を接続する。
【００１５】
上記アレイ導波路回折格子において、各光出力導波路１６から出力される光の光透過特性（アレイ導波路回折格子の透過光強度の波長特性）は、例えば図１１に示すようになり、各光透過中心波長（例えばλ１，λ２，λ３，・・・λｎ）を中心とし、それぞれの対応する光透過中心波長から波長がずれるにしたがって光透過率が小さくなる光透過特性を示す。
【００１６】
さらに、アレイ導波路回折格子は、光の相反性（可逆性）の原理を利用しているため、上記のような光分波器としての機能と共に、光合波器としての機能も有している。すなわち、図９とは逆に、図８に示すように、互いに異なる複数の波長の光をそれぞれの波長ごとにそれぞれの光出力導波路１６から入力すると、これらの光は、上記と逆の伝搬経路を通り、アレイ導波路１４及び第１スラブ導波路１３によって合波され、１本の光入力導波路１２から出力される。
【００１７】
アレイ導波路回折格子を始めとする光波長合分波器は、上記のように、一般に、光分波器としての機能と光合波器としての機能を併せ持っている。そこで、従来は、図９に示したように光分波器として適用される光波長合分波器を、例えば光の通過方向を逆にして、図８に示したように、光合波器として使用していた。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に、光合波器に求められる特性は、光分波器に求められる特性と異なる。光分波器に要求される非常に重要なことは、他のチャンネルへの光の漏話を規定する隣接クロストーク特性を良好にすることであるが、光合波器には、クロストーク特性よりも通過帯域の広帯域化を実現することが要求される。
【００１９】
つまり、光合波器には、多波長化、低損失化、通過帯域の広帯域化等の様々な特性が要求されているが、中でも、通過帯域の広帯域化が非常に重要である。なお、光合波器に要求されるクロストークは、ＡＳＥのノイズレベルがカットできる程度（−１５ｄＢ以下程度）である。
【００２０】
したがって、光分波器としての特性が良好な光波長合分波器が、必ずしも光合波器として良好な特性を有しているとは限らない。しかし、前記の如く、従来は、光分波器として適用される光波長合分波器を光合波器として使用しており、光合波器として最適な構成の光波長合分波器は提案されていなかった。
【００２１】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、通過帯域の広帯域化を十分に図ることができ、光合波器として最適なアレイ導波路回折格子を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、第１の発明は、少なくとも１本の光入力導波路と、該光入力導波路の出力側に接続された第１スラブ導波路と、該第１スラブ導波路の出力側に接続され、互いに設定量異なる長さの複数並設されたチャネル導波路から成るアレイ導波路と、該アレイ導波路の出力側に接続された第２スラブ導波路と、該第２スラブ導波路の出力側に接続されて複数並設された光出力導波路とを有し、光入力導波路から入力される互いに異なる複数の波長をもった多重光から各波長の光を分波して各光出力導波路から出力する光分波機能と、各光出力導波路にそれぞれ入力された異なる波長の光を合波して１本の光入力導波路から出力する光合波機能とを有し、前記光入力導波路のうち少なくとも１本の光入力導波路の第１スラブ導波路側端部は、光入力導波路１本につき１個の独立した個別の第１シングルモード端部幅導波路を介して前記第１スラブ導波路に接続され、前記第１シングルモード端部幅導波路の光入力導波路側端部幅は対応する光入力導波路の幅よりも広幅で、かつ、シングルモード条件を満たす幅を有し、前記第１シングルモード端部幅導波路は少なくとも一部分に前記第１スラブ導波路側に向かうにつれて拡幅する形状の拡幅導波路を有して前記光入力導波路側端部幅よりも前記第１スラブ導波路に接続される第１スラブ導波路側端部の幅が広幅と成しており、前記複数の光出力導波路の第２スラブ導波路側端部は、光出力導波路１本につき１個の独立した個別の第２シングルモード端部幅導波路を介して前記第２スラブ導波路に接続され、前記第２シングルモード端部幅導波路の光出力導波路側端部幅は対応する光出力導波路の幅よりも広幅で、かつ、シングルモード条件を満たす幅を有し、前記第２シングルモード端部幅導波路は少なくとも一部分に前記第２スラブ導波路側に向かうにつれて拡幅する形状の拡幅導波路を有して前記光出力導波路側端部幅よりも前記第２スラブ導波路に接続される第２スラブ導波路側端部の幅が広幅と成しており、前記第１シングルモード端部幅導波路の第１スラブ導波路側の端部幅よりも前記第２シングルモード端部幅導波路の第２スラブ導波路側の端部幅を広幅と成している構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２３】
また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、少なくとも１本の光入力導波路と対応する拡幅導波路の間と、複数の光出力導波路と対応する拡幅導波路の間の少なくとも一方には、対応する拡幅導波路の狭幅端の幅と同じ幅の等幅導波路が形成されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２４】
さらに、第３の発明は、上記第１の発明の構成に加え、少なくとも１本の光入力導波路と対応する拡幅導波路の間と、複数の光出力導波路と対応する拡幅導波路の間の少なくとも一方には、対応する拡幅導波路の狭幅端の幅と同じ幅の等幅導波路が形成されており、この等幅導波路に対応する光入力導波路と光出力導波路の少なくとも一方と等幅導波路との間には、前記対応する光入力導波路または対応する光出力導波路の幅よりも狭幅の狭幅直線導波路が設けられている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２５】
さらに、第４の発明は、上記第１乃至第３のいずれか一つの発明の構成に加え、前記拡幅導波路は台形状導波路である構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略又は簡略化する。
【００２７】
図１には、本発明に係るアレイ導波路回折格子の第１実施形態例の要部構成図が、その動作と共に模式的に示されている。
【００２８】
本実施形態例のアレイ導波路回折格子が従来例と異なる特徴的な構成は、図１および図２の（ａ）、（ｂ）に示すように、各光入力導波路１２の第１スラブ導波路１３側の構成と各光出力導波路１６の第２スラブ導波路１５側の構成を以下に述べる構成としたことである。
【００２９】
なお、図２の（ａ）には、１本の光入力導波路１２の端部が具体的に示されており、図２の（ｂ）には、１本の光出力導波路１６の端部が具体的に示されている。
【００３０】
図１、図２の（ａ）に示すように、本実施形態例のアレイ導波路回折格子において、光入力導波路１２のうち少なくとも１本以上（ここでは全部）の光入力導波路１２の第１スラブ導波路１３側端部は、光入力導波路１２の１本につき１個の独立した個別の第１シングルモード端部幅導波路５ａを介して前記第１スラブ導波路１３に接続されている。
【００３１】
第１シングルモード端部幅導波路５ａの光入力導波路側端部４ａの幅は、対応する光入力導波路１２の幅よりも広幅で、かつ、シングルモード条件を満たす幅を有する。また、第１シングルモード端部幅導波路５ａは、少なくとも一部分に第１スラブ導波路１３側に向かうにつれて拡幅する形状の拡幅導波路７ａを有している。本実施形態例においては、第１シングルモード端部幅導波路５ａは拡幅導波路７ａにより形成されており、この拡幅導波路７ａは、台形状導波路である。
【００３２】
図１、図２の（ｂ）に示すように、本実施形態例において、複数の出力導波路１６の全ての第２スラブ導波路１５側端部は、光出力導波路１６の１本につき１個の独立した個別の第２シングルモード端部幅導波路５ｂを介して前記第２スラブ導波路１５に接続されている。
【００３３】
第２シングルモード端部幅導波路５ｂの光出力導波路側端部４ｂの幅は、対応する光出力導波路１６の幅よりも広幅で、かつ、シングルモード条件を満たす幅を有する。また、第２シングルモード端部幅導波路５ｂは、少なくとも一部分に第２スラブ導波路１５側に向かうにつれて拡幅する形状の拡幅導波路７ｂを有している。本実施形態例においては、第２シングルモード端部幅導波路５ｂは拡幅導波路７ｂにより形成されており、この拡幅導波路７ｂは、台形状導波路である。
【００３４】
図２の（ａ）に示すように、本実施形態例において、各光入力導波路１２の幅はＢＷ、第１シングルモード端部幅導波路５ａの光入力導波路側端部４ａの幅はＷ１ａである。第１シングルモード端部幅導波路５ａは、第１スラブ導波路１３側に向かうにつれて、テーパ角度θ１で拡幅しており、第１シングルモード端部幅導波路５ａを形成する拡幅導波路７ａ（台形状導波路）の斜辺３ａはほぼ直線状（実質的にほぼ直線）と成している。
【００３５】
第１シングルモード端部幅導波路５ａの幅は、その全領域において、対応する光入力導波路１２の幅よりも広幅と成し、第１シングルモード端部幅導波路５ａの第１スラブ導波路側端部６ａの幅（拡幅端幅）はＷ２ａである。
【００３６】
図２の（ｂ）に示すように、本実施形態例において、各光出力導波路１６の幅はＢＷ、第２シングルモード端部幅導波路５ｂの光出力導波路側端部４ｂの幅はＷ１ｂである。第２シングルモード端部幅導波路５ｂは、第２スラブ導波路１５側に向かうにつれてテーパ角度θ２で拡幅しており、第２シングルモード端部幅導波路５ｂを形成する拡幅導波路７ｂ（台形状導波路）の斜辺３ｂはほぼ直線状（実質的にほぼ直線）と成している。
【００３７】
第２シングルモード端部幅導波路５ｂの幅は、その全領域において、対応する光出力導波路１６の幅よりも広幅と成し、第２シングルモード端部幅導波路５ｂの第２スラブ導波路側端部６ｂの幅（拡幅端幅）はＷ２ｂである。
【００３８】
さらに、本実施形態例において、少なくとも前記第１シングルモード端部幅導波路５ａの第１スラブ導波路１３側の端部幅Ｗ２ａと、前記第２シングルモード端部幅導波路５ｂの第２スラブ導波路１５側の端部幅Ｗ２ｂとが互いに異なる。
【００３９】
すなわち、本実施形態例のアレイ導波路回折格子において、上記パラメータは、以下の表１に示すように形成されている。
【００４０】
【表１】
また、本実施形態例は、以下のようにして製造されている。まず、火炎加水分解堆積法を用いてシリコン基板１１上にアンダークラッド膜、コア膜を形成し、その後、図１に示すような構成のアレイ導波路回折格子の回路パターンが描かれたフォトマスクを介してフォトリソグラフィー、反応性イオンエッチング法を用いて、コアにフォトマスクの回路パターンを転写した。
【００４２】
その後、再度、火炎加水分解堆積法を用いてオーバークラッド膜を形成し、光合波器として機能するアレイ導波路回折格子を製造した。
【００４３】
本実施形態例は以上のように構成されており、本実施形態例では、図１に示すように、それぞれの光出力導波路１６から例えば波長λ１、λ２、λ３、・・・λｎの光を入力すると、これらの各波長の光は、第２シングルモード端部幅導波路５ｂを通って第２スラブ導波路１５に入力する。
【００４４】
そして、これらの各波長の光は、第２スラブ導波路１５、アレイ導波路１４、第１スラブ導波路１３を通って合波され、波長λ１、λ２、λ３、・・・、λｎを持った波長多重光となり、第１シングルモード端部幅導波路５ａを通って１つの光入力導波路１２に入力し、この光入力導波路１２から出力される。
【００４５】
ところで、アレイ導波路回折格子において、その通過スペクトル形状は、概略、第１スラブ導波路１３の光入力導波路１２側の端部における光電界振幅分布と、第２スラブ導波路１５の光出力導波路１６側の端部における光電界振幅分布との重ね合わせで決定される。
【００４６】
そこで、本発明者は、第１スラブ導波路１３の光入力導波路１２側の端部における光電界振幅分布と、第２スラブ導波路１５の光出力導波路１６側の端部における光電界振幅分布に着目し、これらの光電界振幅分布の重ね合わせ形状を良好にすることを考え、上記構成を決定した。以下、上記光電界振幅分布についての検討について述べる。
【００４７】
本実施形態例は、光出力導波路１６の第２スラブ導波路１５側の端部に、上記構成の第２シングルモード端部幅導波路５ｂを設けているので、第２スラブ導波路１５の光出力導波路１６側の端部における光電界振幅分布は、例えば図４の（ａ）、（ｂ）の特性線ａのようになる。
【００４８】
なお、この特性線ａおよび、以下に述べる図４の特性線ｂ、特性線ｃは、いずれも、１つの波長を中心とした光の光電界振幅分布を示している。
【００４９】
図４の（ａ）、（ｂ）の特性線ａに示すように、光出力導波路１６の第２スラブ導波路１５側の端部に第２シングルモード端部幅導波路５ｂを設けると、第２スラブ導波路１５の光出力導波路１６側の端部における光電界振幅分布は、一山形状を呈し、その山頂付近における幅は広く、かつ、裾野部分（両端側）の立ち上がりが良好になる。
【００５０】
このことは、本発明者が以前に検討して明らかにしたものであり、その詳細は、本発明者による提案の、特願２０００−４００３６２に記載されている。なお、この提案は、未だ公開になっていない。
【００５１】
ここで、第１スラブ導波路１３と光入力導波路１２との接続部を、従来のアレイ導波路回折格子のように、本実施形態例における第１シングルモード端部幅導波路５ａを有していない構成とした場合、第１スラブ導波路１３の光入力導波路１２側の端部における光電界振幅分布は、図４の（ｂ）の特性線ｃに示すようになる。つまり、第１スラブ導波路１３の光入力導波路１２側の端部における光電界振幅分布は、その山頂付近における幅が、図４の特性線ａに比べて非常に狭くなる。
【００５２】
したがって、これら図４の（ｂ）の特性線ａと特性線ｃの重ね合わせ領域は、図４の（ｂ）の斜線部に示す領域となり、特性線ｃに示した光電界振幅分布に比べれば、その山頂付近における幅は広くなっているが、山頂付近の幅が大幅に広くはなっていない。
【００５３】
また、図４の（ａ）の特性線ｂは、本実施形態例のように、第１スラブ導波路１３と光入力導波路１２との接続部に、第１シングルモード端部幅導波路５ａを設けた場合の、第１スラブ導波路１３の光入力導波路１２側の端部における光電界振幅分布を示す。この特性線ｂも山頂付近の幅が広くなっている。なお、第１シングルモード端部幅導波路５ａの拡幅端幅と第２シングルモード端部幅導波路ｂの拡幅端幅は互いに異なるので、図４の（ａ）の特性線ａと特性線ｂの幅や高さは互いに異なる。
【００５４】
そして、図４の（ａ）の特性線ａと特性線ｂの重ね合わせ領域は、図４の（ａ）の斜線部に示す領域となり、図４の（ｂ）の斜線部で示した領域に比べ、その山頂付近における幅が非常に広くなっている。
【００５５】
つまり、本実施形態例のように、光出力導波路１６の第２スラブ導波路１５側の端部に、上記構成の第２シングルモード端部幅導波路５ｂを設け、かつ、光入力導波路１２の第１スラブ導波路１３側端部に、上記構成の第１シングルモード端部幅導波路５ａを設けたアレイ導波路回折格子は、光通過帯域が広く、光合波器に最適なアレイ導波路回折格子となることが分かった。
【００５６】
また、本実施形態例のアレイ導波路回折格子は、上記のように、第１スラブ導波路１３の光入力導波路１２側の端部における光電界振幅分布と、第２スラブ導波路１５の光出力導波路１６側の端部における光電界振幅分布との重ね合わせ領域を広くできるので、モードフィールドミスマッチ損失を減少させることができ、低損失化を図ることができる。
【００５７】
さらに、本実施形態例のアレイ導波路回折格子は、少なくとも前記第１シングルモード端部幅導波路５ａの第１スラブ導波路１３側の端部幅Ｗ２ａと、前記第２シングルモード端部幅導波路５ｂの第２スラブ導波路１５側の端部幅Ｗ２ｂとが互いに異なる。したがって、図４の（ａ）の斜線で示した領域は、特性線ａに比べて、裾野部分（両端側）の立ち上がりが良好になり、クロストークを許容範囲（例えば−１５ｄＢ以下）に維持できる。
【００５８】
図３の特性線ａには、本実施形態例のアレイ導波路回折格子の通過スペクトル例が示されている。また、同図の特性線ｂには、従来例における通過スペクトルが示されている。なお、これらの特性線は、１つの波長を中心とした光の通過スペクトルを規格化して示したものである。
【００５９】
図３の特性線ａに示すように、本実施形態例のアレイ導波路回折格子は従来例に比べ、通過帯域が広帯域化できており、損失やクロストークは従来例と遜色なく、光合波器として最適なアレイ導波路回折格子を実現することができた。
【００６０】
次に、本発明に係るアレイ導波路回折格子の第２実施形態例について説明する。第２実施形態例のアレイ導波路回折格子は上記第１実施形態例とほぼ同様に構成されており、第２実施形態例が上記第１実施形態例と異なる特徴的なことは、図５の（ａ）に示すように、各光入力導波路１２の第１スラブ導波路１３側を構成し、同図の（ｂ）に示すように、各光出力導波路１６の第２スラブ導波路１５側を構成したことである。
【００６１】
つまり、第２実施形態例において、少なくとも１本（ここでは全部）の光入力導波路１２の少なくとも１本（ここでは全部）と対応する拡幅導波路７ａの間と、複数の光出力導波路１６の全てと対応する拡幅導波路７ｂの間の少なくとも一方（ここでは両方）に、対応する拡幅導波路７ａ，７ｂの狭幅端の幅と同じ幅の等幅導波路８ａ，８ｂが設けられて、それぞれ、第１、第２シングルモード端部幅導波路５ａ，５ｂが形成されている。
【００６２】
また、第２実施形態例では、上記等幅導波路８ａ，８ｂに対応する光入力導波路１２と光出力導波路１６の少なくとも一方と等幅導波路８ａ，８ｂとの間には、前記対応する光入力導波路１２または対応する光出力導波路１６の幅よりも狭幅の狭幅直線導波路１ａ，１ｂが設けられている。
【００６３】
本第２実施形態例のアレイ導波路回折格子において、等幅導波路８ａ，８ｂの幅ＥＷは、拡幅導波路７ａ，７ｂの狭幅端幅Ｗ１ａ，Ｗ１ｂと等しく、等幅導波路８ａ，８ｂの長さは、共にＥＬ、狭幅直線導波路１ａ，１ｂの幅はＮＷ、長さはＮＬである。
【００６４】
上記パラメータおよび、光入力導波路１２、光出力導波路１６の幅、拡幅導波路７ａの第１スラブ導波路側端部６ａの幅（拡幅端幅）Ｗ２ａ、拡幅導波路７ｂの第２スラブ導波路側端部６ｂの幅（拡幅端幅）Ｗ２ｂ、テーパ角度θ２は、以下の表２に示すように形成されている。
【００６５】
【表２】
第２実施形態例のアレイ導波路回折格子の製造方法は、フォトマスク形状と、このフォトマスクを用いて転写される回路パターンを異なるものとした以外は、上記実施形態例と同様である。
【００６７】
第２実施形態例において、等幅導波路８ａ，８ｂと拡幅導波路７ａ，７ｂから成る第１と第２シングルモード端部幅導波路５ａ，５ｂは、上記第１実施形態例における第１と第２シングルモード端部幅導波路５ａ，５ｂと同様に機能するので、第２実施形態例も上記第１実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【００６８】
また、第２実施形態例は、第２シングルモード端部幅導波路５ｂと光出力導波路１６との間に狭幅直線導波路１ｂを設けているので、光出力導波路１６が曲線部を有していて、光出力導波路１６に入力された光がこの曲線部を伝搬するときに光強度分布の中心位置が光出力導波路幅方向中心位置からずれたとしても、狭幅直線導波路１ｂを通るときに光強度分布の中心位置を直線導波路中心に移動させることができる。
【００６９】
したがって、上記入力光の強度中心を第２シングルモード端部幅導波路５ｂの幅方向中心に入力できるため、第２シングルモード端部幅導波路５ｂを出力する光強度分布形状を全体的に歪みの無いものとすることができる。
【００７０】
図６の特性線ａには、第２実施形態例のアレイ導波路回折格子の通過スペクトル例が示されている。また、同図の特性線ｂには前記従来例における通過スペクトルが示されている。なお、これらの特性線は、１つの波長を中心とした光の通過スペクトルを規格化して示したものである。
【００７１】
図６の特性線ａに示すように、本実施形態例のアレイ導波路回折格子は従来例に比べ、通過帯域が広帯域化できており、損失やクロストークは従来例と遜色なく、光合波器として最適なアレイ導波路回折格子を実現することができた。
【００７２】
次に、本発明に係るアレイ導波路回折格子の第３実施形態例について説明する。第３実施形態例のアレイ導波路回折格子は上記第１実施形態例とほぼ同様に構成されており、第３実施形態例が上記第１実施形態例と異なる特徴的なことは、第１、第２シングルモード端部幅導波路５ａ，５ｂの幅やテーパ角度θ１、θ２を上記第１実施形態例と異なる値にしたことである。
【００７３】
つまり、表１および図２に示したように、上記第１実施形態例では、第１シングルモード端部幅導波路５ａと第２シングルモード端部幅導波路５ｂは、そのテーパ角度θ１、θ２を互いに同じ値とし、その長さを異なる値とすることにより、第１シングルモード端部幅導波路５ａの拡幅端幅Ｗ２ａと第２シングルモード端部幅導波路５ｂの拡幅端幅Ｗ２ｂを異なる値にした。
【００７４】
それに対し、表３に示すように、第３実施形態例では、第１シングルモード端部幅導波路５ａと第２シングルモード端部幅導波路５ｂのテーパ角度θ１、θ２を互いに異なる値とし、第１シングルモード端部幅導波路５ａと第２シングルモード端部幅導波路５ｂの拡幅端幅Ｗ２ａとＷ２ｂも異なる値にした。
【００７５】
【表３】
上記以外の第３実施形態例の構成は上記第１実施形態例と同様に構成されており、第３実施形態例も上記第１実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【００７７】
図７の特性線ａには、第３実施形態例のアレイ導波路回折格子の通過スペクトル例が示されている。また、同図の特性線ｂには前記従来例における通過スペクトルが示されている。なお、これらの特性線は、１つの波長を中心とした光の通過スペクトルを規格化して示したものである。
【００７８】
図７の特性線ａに示すように、本実施形態例のアレイ導波路回折格子は従来例に比べ、通過帯域が広帯域化できており、損失やクロストークは従来例と遜色なく、光合波器として最適なアレイ導波路回折格子を実現することができた。
【００７９】
なお、本発明は上記各実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば上記各実施形態例では、全ての光入力導波路１２の第１スラブ導波路１３側端部は、光入力導波路１本につき１個の独立した個別の第１シングルモード端部幅導波路５ａを介して前記第１スラブ導波路１３に接続されていたが、少なくとも１本の光入力導波路１２の第１スラブ導波路１３側が、光入力導波路１本につき１個の独立した個別の第１シングルモード端部幅導波路５ａを介して前記第１スラブ導波路１３に接続されていればよい。
【００８０】
また、上記第２実施形態例では、全ての光入力導波路１２と等幅導波路８ａとの間に狭幅直線導波路１ａを設け、全ての光出力導波路１６と等幅導波路８ｂとの間に狭幅直線導波路１ｂを設けたが、少なくとも１本の光入力導波路１２の全本数未満の光入力導波路１２と対応する等幅導波路８ａとの間に狭幅直線導波路１ａを設けてもよい。
【００８１】
さらに、上記第２実施形態例のように第１、第２シングルモード端部幅導波路５ａ，５ｂの少なくとも一方を、等幅導波路８ａ，８ｂを設けて構成する場合に、狭幅直線導波路１ａ，１ｂを省略してもよい。この場合も、上記第１、第３実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【００８２】
さらに、本発明において、拡幅導波路の幅や長さやテーパ角度、直線状導波路の長さや幅、等幅導波路の長さ等は、特に限定されることはなく適宜設定されるものであり、例えば光電界振幅分布のシミュレーション結果等に基づいて、アレイ導波路回折格子の仕様に合わせて上記各値を設定することにより、上記各実施形態例のような優れた効果を奏するアレイ導波路回折格子を実現することができる。
【００８３】
さらに、本発明のアレイ導波路回折格子に適用されるシングルモード端部幅導波路は必ずしも台形状導波路を有する構成とするとは限らない。シングルモード端部幅導波路は、対応する光入力導波路または光出力導波路側の幅がそれら対応する導波路の幅よりも広幅で、かつ、シングルモード条件を満たす端部幅を有し、この端部と反対側に向かうにつれて拡幅する形状の拡幅導波路を少なくとも一部分に有している構成とすればよい。
【００８４】
【発明の効果】
本発明によれば、光入力導波路と第１スラブ導波路との間に介設される第１シングルモード端部幅導波路の第１スラブ導波路側の端部幅よりも光出力導波路と第２スラブ導波路との間に介設される第２シングルモード端部幅導波路の第２スラブ導波路側の端部幅を広幅と成していることによって、概略、第１スラブ導波路の光入力導波路側の端部における光電界振幅分布と、第２スラブ導波路の光出力導波路側の端部における光電界振幅分布との重ね合わせで決定される通過スペクトル形状を中心付近の幅が広い形状にすることができる。
【００８５】
したがって、本発明のアレイ導波路回折格子は、通過帯域を広帯域化した、光合波器として最適なアレイ導波路回折格子を実現できる。さらに、本発明のアレイ導波路回折格子は、モードフィールドミスマッチ損失を減少でき、低損失化を図ることができ、さらにクロストークを一定の値以下に保つことができる。
【００８６】
また、本発明において、第１、第２シングルモード端部幅導波路を拡幅導波路を有する構成としたり、拡幅導波路と光入力導波路または光出力導波路の端部に設けた等幅導波路とを有する構成としたりすることにより、上記効果を奏するアレイ導波路回折格子を容易に構成できる。
【００８７】
さらに、本発明において、光入力導波路または光出力導波路の端部に設けた等幅導波路に対応する光入力導波路と光出力導波路の少なくとも一方と等幅導波路との間に、前記対応する光入力導波路または対応する光出力導波路の幅よりも狭幅の狭幅直線導波路を設けた構成によれば、狭幅直線導波路によって、光の強度中心をシングルモード端部幅導波路の幅方向中心に入力でき、このシングルモード端部幅導波路を出力する光強度分布形状を全体的に歪みの無いものとすることができる。
【００８８】
さらに、本発明において、拡幅導波路は台形状導波路とした構成によれば、簡単な構成で上記効果を効率的に発揮できるアレイ導波路回折格子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアレイ導波路回折格子の第１実施形態例を模式的に示す構成図である。
【図２】上記第１実施形態例における光入力導波路と光出力導波路の端部側構成を具体的に示す説明図である。
【図３】上記第１実施形態例の通過スペクトルを、シングルモード端部幅導波路を設けない従来例の通過スペクトルと共に示すグラフである。
【図４】アレイ導波路回折格子において光入力導波路と光出力導波路の両方の端部側にシングルモード端部幅導波路を設けた場合と、一方にのみシングルモード端部幅導波路を設けた場合の光電界振幅分布を説明する模式図である。
【図５】本発明に係るアレイ導波路回折格子の第２実施形態例における光入力導波路と光出力導波路の端部側構成を具体的に示す説明図である。
【図６】上記第２実施形態例の通過スペクトルを、シングルモード端部幅導波路を設けない従来例の通過スペクトルと共に示すグラフである。
【図７】本発明に係るアレイ導波路回折格子の第３実施形態例の通過スペクトルを、シングルモード端部幅導波路を設けない従来例の通過スペクトルと共に示すグラフである。
【図８】従来のアレイ導波路回折格子の構成例を、光合波器としての動作と共に模式的に示す説明図である。
【図９】従来のアレイ導波路回折格子の構成例を、光分波器としての動作と共に模式的に示す説明図である。
【図１０】従来のアレイ導波路回折格子における光入力導波路と第１スラブ導波路との接続部周辺構成を模式的に示す説明図である。
【図１１】アレイ導波路回折格子の通過スペクトルを模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ 狭幅直線導波路
５ａ 第１シングルモード端部幅導波路
５ｂ 第２シングルモード端部幅導波路
７ａ，７ｂ 拡幅導波路
８ａ，８ｂ 等幅導波路
１１ 基板
１２ 光入力導波路
１３ 第１スラブ導波路
１４ アレイ導波路
１４ａ チャンネル導波路
１５ 第２スラブ導波路
１６ 光出力導波路
Claims (4)
- 少なくとも１本の光入力導波路と、該光入力導波路の出力側に接続された第１スラブ導波路と、該第１スラブ導波路の出力側に接続され、互いに設定量異なる長さの複数並設されたチャネル導波路から成るアレイ導波路と、該アレイ導波路の出力側に接続された第２スラブ導波路と、該第２スラブ導波路の出力側に接続されて複数並設された光出力導波路とを有し、光入力導波路から入力される互いに異なる複数の波長をもった多重光から各波長の光を分波して各光出力導波路から出力する光分波機能と、各光出力導波路にそれぞれ入力された異なる波長の光を合波して１本の光入力導波路から出力する光合波機能とを有し、前記光入力導波路のうち少なくとも１本の光入力導波路の第１スラブ導波路側端部は、光入力導波路１本につき１個の独立した個別の第１シングルモード端部幅導波路を介して前記第１スラブ導波路に接続され、前記第１シングルモード端部幅導波路の光入力導波路側端部幅は対応する光入力導波路の幅よりも広幅で、かつ、シングルモード条件を満たす幅を有し、前記第１シングルモード端部幅導波路は少なくとも一部分に前記第１スラブ導波路側に向かうにつれて拡幅する形状の拡幅導波路を有して前記光入力導波路側端部幅よりも前記第１スラブ導波路に接続される第１スラブ導波路側端部の幅が広幅と成しており、前記複数の光出力導波路の第２スラブ導波路側端部は、光出力導波路１本につき１個の独立した個別の第２シングルモード端部幅導波路を介して前記第２スラブ導波路に接続され、前記第２シングルモード端部幅導波路の光出力導波路側端部幅は対応する光出力導波路の幅よりも広幅で、かつ、シングルモード条件を満たす幅を有し、前記第２シングルモード端部幅導波路は少なくとも一部分に前記第２スラブ導波路側に向かうにつれて拡幅する形状の拡幅導波路を有して前記光出力導波路側端部幅よりも前記第２スラブ導波路に接続される第２スラブ導波路側端部の幅が広幅と成しており、前記第１シングルモード端部幅導波路の第１スラブ導波路側の端部幅よりも前記第２シングルモード端部幅導波路の第２スラブ導波路側の端部幅を広幅と成していることを特徴とするアレイ導波路回折格子。
- 少なくとも１本の光入力導波路と対応する拡幅導波路の間と、複数の光出力導波路と対応する拡幅導波路の間の少なくとも一方には、対応する拡幅導波路の狭幅端の幅と同じ幅の等幅導波路が形成されていることを特徴とする請求項１記載のアレイ導波路回折格子。
- 少なくとも１本の光入力導波路と対応する拡幅導波路の間と、複数の光出力導波路と対応する拡幅導波路の間の少なくとも一方には、対応する拡幅導波路の狭幅端の幅と同じ幅の等幅導波路が形成されており、この等幅導波路に対応する光入力導波路と光出力導波路の少なくとも一方と等幅導波路との間には、前記対応する光入力導波路または対応する光出力導波路の幅よりも狭幅の狭幅直線導波路が設けられていることを特徴とする請求項１記載のアレイ導波路回折格子。
- 拡幅導波路は台形状導波路であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載のアレイ導波路回折格子。
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