JP5086196B2 - 光波長合分波回路 - Google Patents

Description

本発明は、アレイ導波路回折格子型の光波長合分波回路に係り、詳しくは透過波長の温度依存性が補償されたアレイ導波路回折格子型の光波長合分波回路に関する。

シリコン基板上に形成された石英系ガラス導波路により構成されるプレーナ光波回路（ＰＬＣ）の研究開発が盛んに行われている。このＰＬＣ技術を利用したアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）は、光波長合分波を実現する回路であり、光通信用の部品として重要な役割を果たしている。

ＡＷＧは、合分波される光の透過波長に温度依存性を有する。これは、ＡＷＧを構成する石英系ガラス導波路の実効屈折率が温度依存性を有するためである。このため、通常のＡＷＧにおいては、波長透過特性を一定に保持するために、温度調節装置を付加する必要があった。

ＡＷＧに付加的に必要とされる温度調節装置を省略するため、ＡＷＧの透過波長の温度依存性を低減する方法が開発されている。この方法について詳しくは、特許文献１および２に開示されている。透過波長の温度依存性を低減したＡＷＧは、温度無依存ＡＷＧ、あるいはアサーマルＡＷＧと呼ばれる。特許文献１および２に開示されたアサーマルＡＷＧは、ＡＷＧ内の各光経路（アレイ導波路あるいはスラブ導波路）において、光波の進行軸に交差するように溝を形成し、その溝に導波路の実効屈折率の温度係数とは異なる屈折率温度係数を有する材料（以下「温度補償材料」と記載）を挿入することにより、実現される。

図３４は、この従来技術におけるスラブ導波路に溝を形成するアサーマルＡＷＧタイプの光波長合分波回路の一例である構成３４００を示す平面図である。アサーマルＡＷＧタイプの光波長合分波回路３４００は、第１の入出力導波路３４０１と、第１のスラブ導波路３４０２と、アレイ導波路３４０３と、第２のスラブ導波路３４０４と、第２の入出力導波路３４０５と、第１のスラブ導波路３４０２に形成され、温度補償材料が充填されている溝３４０６とを備える。

また、図３５は、図３４に示したアサーマルＡＷＧタイプの光波長合分波回路３４００において、線ＡＡ’部分の断面構造を示した図である。線ＡＡ′部分の断面構造には、溝３４０６と、シリコン基板３４０７と、導波路コア３４０８と、クラッド３４０９とが含まれる。溝３４０６は、導波路コア３４０８およびクラッド３４０９の１部を取り除いて形成されており、導波路コア３４０８を分断している。

アサーマルＡＷＧ３４００は、第１の入出力導波路３４０１に入力された波長多重信号光を第２の入出力導波路３４０５の各導波路へ分波し、波長チャネルごとの信号光として出力する機能と、第２の入出力導波路３４０５の各導波路に入力された波長チャネルごとの信号光を第１の入出力導波路３４０１へ合波し、波長多重信号光として出力する機能を有し、光波長合分波回路として動作する。

また図３４において、溝３４０６は複数の溝に分割されているが。これは、単一の溝よりも、放射損失を低減することができるためである。図３４において、ｉ番目のアレイ導波路の長さＬ_ｉは、Ｌ_ｉ＝Ｌ_１＋（ｉ−１）・ΔＬと表され、一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。これに応じて、各アレイ導波路に入力する光波が、第１のスラブ導波路３４０２において、溝３４０６により分断される長さの和Ｌ_ｉ′は、Ｌ_ｉ′＝Ｌ_１′＋（ｉ−ｌ）・ΔＬ′と表され、ΔＬに比例した量ΔＬ′ずつ順次長くなるような形状をしている。このときＡＷＧの第１の入出力導波路３４０１から第２の入出力導波路３４０２の中央の導波路への透過中心波長λ_ｃは
［数１］ λ_ｃ＝｛ｎ_ａΔＬ−ｎ_ｓΔＬ′＋ｎ′ΔＬ′｝／Ｍ
と表される。ここで、ｎ_ａはアレイ導波路の実効屈折率、ｎ_ｓはスラブ導波路の実効屈折率、ｎ′は温度補償材料の屈折率であり、ＭはＡＷＧの回折次数であって、ｎ_ａΔＬ−ｎ_ｓΔＬ′＋ｎ′ΔＬ′はＡＷＧにおける隣接する光経路の距離の差、すなわち光路長差を示している。このとき、ｎ′はｎ_ｓに近く、溝における光波の屈折角は十分小さいと仮定している。ここで光路長とは、光波が感じる距離であり、材料の屈折率と物理的な経路距離の積で求められる。また、ここでαはアレイ導波路およびスラブ導波路の実効屈折率温度係数（α＝ｄｎ_ａ／ｄＴ＝ｄｎ_ｓ／ｄＴ、Ｔは温度）、α′は温度補償材料の屈折率温度係数（α′＝ｄｎ′／ｄＴ）であるとすると、アサーマルＡＷＧでは、ΔＬ′／（ΔＬ−ΔＬ′）＝−α／α′すなわちΔＬ′＝ΔＬ／（１−α′／α）と設計されている。これにより、アレイ導波路およびスラブ導波路での光路長差の温度変化が、溝に充填された温度補償材料の光路長差の温度変化により相殺され、透過中心波長の温度依存性が補償されている。温度補償材料としては、導波路のαに対して前述の条件を満たすα′を有する材料であれば構わないが、特にα′がαと異符号であり、かつ｜α′｜が｜α｜に比較して十分大きいような材料が好ましい。これはΔＬ′を小さく設計することができ、溝による過剰損失を抑制できるからである。このような条件の材料としては、例えば光学樹脂であるシリコーン樹脂があり、α′はおよそ−３５×αである。また、光学樹脂は光部品材料として長期信頼性に優れるという点でも好ましい。

ＡＷＧの透過波長の温度依存性を低減する別の方法としては、ＡＷＧのチップを回路に沿い弧状に切断し、そのチップの両端をつなぐ金属棒を接合し、金属棒の熱伸縮によりＡＷＧチップを変形させて、隣接するアレイ導波路の光路長差の温度変化と相殺させる方法がある。この方法について詳しくは、非特許文献１に開示されている。

また、ＡＷＧの透過波長の温度依存性を低減する更に別の方法としては、ＡＷＧチップの入力側または出力側のスラブ導波路を分断し、分断したチップを金属板で接合して、金属板の熱伸縮により分断したスラブ導波路の相対位置を変化させることにより、アレイ導波路の光路長差の温度変化と相殺させる方法がある。

このようなＡＷＧにおいて、第１の入出力導波路３４０１の第１のスラブ導波路３４０２との接続界面に励起されている光電界と、第２の入出力導波路３４０５の第２のスラブ導波路３４０４との接続界面に励起される光電界のパワーオーバーラップ積分が透過スペクトルとなる。通常、これらの光電界は基底モードのみが励起されており、透過スペクトル波形はガウス関数形状となる。しかし、第１の入出力導波路３４０１あるいは第２の入出力導波路３４０５の、第１のスラブ導波路３４０２あるいは第２のスラブ導波路３４０４への接続部分にパラボラテーパ導波路を設けることにより、透過波形を平坦化し帯域を拡大する方法が開発されている。この方法について詳しくは、特許文献３に開示されている。

国際公開特許ＷＯ９８／３６２９９号パンフレット 特許第３４９８６５０号明細書 特許第３１１２２４６号明細書 J.B.D.Soole, et, al., "Athermalisation of silica arrayed waveguide grating multiplexers", ELECTRONICS LETTERS, Vol.39, pp.1182-1184, 2003. Z. Zhang, et, al., "Planar waveguide-based silica-polymer hybrid variable optical attenuator and its associated polymers", APPLIED OPTICS, Vol.44, pp.2402-2408, 2005.

上述の設計によるアサーマルＡＷＧは、透過中心波長の温度依存性を完全に補償できるわけではない。これは、石英ガラス導波路や温度補償材料の実効屈折率温度係数、あるいは金属の熱膨張係数には、１次のみならず２次の成分が存在し、１次と２次の成分比は、一般には材料により異なるためである。石英ガラス導波路の場合、α＝α_１＋α_２Ｔ、α_１＝１．０×１０^−５、α_２＝１．９×１０^−８程度（Ｔの単位は℃）である。シリコーン樹脂の場合、α′＝α′_１＋α′_２Ｔ、α′_１＝−３．５×１０^−４、α′_２＝１．５×１０^−７程度である。従来のアサーマルＡＷＧにおいては、使用温度領域の中央の温度において、主要な成分である、この１次の温度依存性が補償されるよう設計がなされている。２次の係数は１次の係数に比較して微小ではあるが、使用温度領域全体では僅かな温度依存性が在留する。

ここで、図３４のアサーマルＡＷＧを例として、導波路の比屈折率差（Δ）１．５％、コア厚４．５μｍ、第１の入出力導波路３４０１、アレイ導波路３４０３、および第２入出力導波路３４０５のコア幅は４．５μｍであり、波長チャネル数３２、チャネル波長間隔０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）、温度補償材料はシリコーン樹脂とする。このときアレイ導波路の本数は１３０本、ΔＬは４２．４μｍである。ここで溝３４０６に充填された温度補償材料により与えられるべき経路長差ΔＬ′は、ΔＬ′＝ΔＬ／（１−α′／α）＝ΔＬ／（１−（α′_１＋α′_２Ｔ）／（α_１＋α_２Ｔ））となる。ここで使用温度領域はＴ＝−４０〜８０℃であるとし、中央のＴ＝２０℃での条件を考えると、ΔＬ′＝１．１８μｍとなる。このアサーマルＡＷＧの中央波長チャネルにおける、透過中心波長の相対的な温度依存性を図３６に示す。図からわかるように、Ｔ＝２０℃を最小として、２次関数的な微小波長変動が残留している。使用温度領域Ｔ＝−４０〜８０℃においては、この波長変動幅は０．０７ｎｍとなり、波長チャネル間隔の９％にも達する。

このように、従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいては、透過中心波長の温度依存性が僅かながら残留していた。このため、透過中心波長の精度を求められ狭波長チャネル間隔、あるいは使用温度領域の広い光波長合分波回路においては、場合によっては伝送システムの要求性能を満足できないという課題があった。

本発明は、かかる問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、アサーマルＡＷＧにおいて残留する透過中心波長の微小な温度変化を補償し、全使用温度領域において透過中心波長精度に優れた、あるいは使用可能温度領域が比較的広い、光波長合分波回路を提供することにある。

上記の課題を解消するために、本発明による光波長合分波回路は、コアおよびクラッドからなる導波路により構成されるアレイ導波路回折格子を備える光波長合分波回路であって、上記アレイ導波路回折格子が、所定の光路長差で順次長くなる導波路からなるアレイ導波路と、上記アレイ導波路の両端部に接続された第１および第２のスラブ導波路と、透過波長における主要な温度依存性を補償する温度補償手段とを備える光波長合分波回路において、第１の入出力導波路と、上記第１の入出力導波路に接続され、上記第１の入出力導波路から入力される基本モード光の一部を１次モード光に変換する１次モード光励起機構と、上記１次モード光励起機構に接続され、少なくとも基本および１次モード光が伝播可能であり、直接あるいはテーパ導波路を介して上記第１のスラブ導波路に接続されるマルチモード導波路であって、上記マルチモード導波路の少なくとも一部分のコア側面または上面またはその両方のクラッドが上記マルチモード導波路と異なる屈折率温度係数を有する材料に置き換えられ、基本モード光と１次モード光に対する実効屈折率の差分が温度によって変動するマルチモード導波路とを備え、上記マルチモード導波路の長さは、上記マルチモード導波路あるいは上記テーパ導波路の上記第１のスラブ導波路への接続部における基本モード光と１次モード光との合成光フィールドの温度変位によって生じる上記アレイ導波路回路格子の透過波長の温度依存性が、上記温度補償手段によって補償された後に残留する上記アレイ波路回析格子の透過波長の温度依存性の一部または全部を相殺するように設定されていることを特徴とする。

また、本発明による光波長合分波回路は、上記マルチモード導波路は、上記マルチモード導波路の少なくとも一部分のコア側面に接する溝が形成され、当該溝に上記マルチモード導波路のコア材料の屈折率温度係数と異なる屈折率温度係数を有する材料を挿入することにより生成されるものとしてもよい。

また、本発明による光波長合分波回路は、上記１次モード光励起機構は、導波路の中心軸をずらして接続する導波路オフセットであるものとしてもよい。

また、本発明による光波長合分波回路は、上記マルチモード導波路と上記第１のスラブ導波路が、直線テーパ導波路により接続されるものとしてもよい。

また、本発明による光波長合分波回路は、上記マルチモード導波路と上記第１のスラブ導波路が、パラボラ形状等の２次モード光を励起するテーパ導波路により接続されるものとしてもよい。

また、本発明による光波長合分波回路は、上記第２のスラブ導波路に接続される第２の入出力導波路を備え、上記第２の入出力導波路と上記第２のスラブ導波路が、パラボラ形状等の２次モード光を励起するテーパ導波路により接続されるものとしてもよい。

また、本発明による光波長合分波回路は、上記導波路は、石英系ガラスから構成され、上記溝に挿入する材料は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂等の光学樹脂であるものとしてもよい。

また、本発明による光波長合分波回路は、上記温度補償手段は、上記アレイ導波路および上記第１および第２のスラブ導波路の少なくともいずれか１つに、光波の進行方向に交差して導波路を分断する溝を形成し、上記溝に上記導波路の実効屈折率の温度係数と異なる屈折率温度係数を有する材料を挿入することにより形成される手段であるものとしてもよい。

また、本発明による光波長合分波回路は、上記アレイ導波路および上記第１および第２のスラブ導波路の少なくともいずれか１つに形成された溝に挿入する材料と、上記マルチモード導波路の少なくとも一部分のコアに接する溝に挿入する材料とが同一であるものとしてもよい。

また、本発明による光波長合分波回路は、上記温度補償手段は、回路に沿って弧状に切断したチップの両端をつなぐ金属棒を接合し、金属棒の熱伸縮によりチップを変形させ、上記アレイ導波路の光路長差の温度変化と相殺させる手段であるものとしてもよい。

また、本発明による光波長合分波回路は、上記温度補償手段は、上記第１あるいは第２のスラブ導波路を分断し、分断したチップを金属板で接合して、金属板の熱伸縮により分断されたスラブ導波路の相対位置を変化させることによりアレイ導波路の光路長差の温度変化による光路の変化と相殺させる手段であるものとしてもよい。

以上のように、本発明によれば、アサーマルＡＷＧタイプの光波長合分波回路において、残留する透過中心波長の高次の温度依存性を補償することができ、全使用温度領域において透過中心波長精度に優れた、あるいは使用可能温度領域が広い光波長合分波回路を提供することができる。

従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいては、通常、第１の入出力導波路には基底モード光のみが伝播し、第１のスラブ導波路の接続部に励起される光フィールドの光強度ピーク位置は、温度によっても波長によっても変化しない。ここで、上述の光フィールドに特定の強度比で１次モード光が混在している場合、基底モード光と１次モード光の位相差により光フィールドの光強度ピーク位置は振動的に移動し、また、その振動振幅は両モード光の強度比により変化する。一方、第１の入出力導波路と第１のスラブ導波路との接続部における光フィールドの光強度ピーク位置移動は、ＡＷＧにおいて透過中心波長の変化となる。従って、第１の入出力導波路において、適当な機構により所定の強度比の１次モード光を励起し、該１次モード光と基底モード光の位相差を温度により変化させることができれば、従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいて、更に透過中心波長の温度による変化を生じさせることが可能である。

以上の考察を踏まえ、以下、本発明の実施形態について、具体的に説明する。
まず、本発明の実施形態にかかる光波長合分波回路の構成概念図を図１に示す。
図１において、光波長合分波回路１００は、第１のスラブ導波路１０２と、アレイ導波路１０３と、第２のスラブ導波路１０４と、第２の入出力導波路１０５とを備える。第１のスラブ導波路１０２から第２の入出力導波路１０５までの構成は、従来技術によるアサーマルＡＷＧと同様であり、従来の温度補償手段により透過中心波長の１次の温度依存性が補償されている。本発明の実施形態において、光波長合分波回路１００は、第１の入出力導波路１０１と、１次モード光励起機構１０６と、マルチモード導波路１０７とをさらに備える。

図２は、図１の構成概念図において、第１の入出力導波路１０１から第１のスラブ導波路１０２の部分を拡大した図である。各符号の説明は図１と同様である。ここで、１次モード光励起機構１０６は、第１の入出力導波路１０１から入力する基底モード光のうち、ある一定割合のパワーを１次モード光に変換する機構を有する。基底モード光および励起された１次モード光は、マルチモード導波路１０７に入力され、それぞれのモードの実効屈折率に従い伝播するので、合成光フィールドは蛇行しながら伝播する。第１のスラブ導波路１０２との接続部に達したときの基底モード光と１次モード光の位相差は、マルチモード導波路１０７の全長と、それぞれのモードの実効屈折率の差分と、伝播する光波の波長により決定される。

本発明の光波長合分波回路では、マルチモード導波路１０７において、基底モード光と１次モード光に対する実効屈折率の差分が温度により変動する機構を有する。ここで光波長合分波回路の使用温度ＴをＴ_Ｃ−ΔＴからＴ_Ｃ＋ΔＴとする。Ｔ_Ｃは使用温度領域の中央温度、領域の全幅は２ΔＴである。また、温度Ｔにおける上記実効屈折率の差分をΔｎ（Ｔ）とし、マルチモード導波路１０７の全長をＬとする。１次モード光励起機構１０６において励起された１次モード光と基底モード光の位相差をφ_０とすると、両モード光がマルチモード導波路１０７を伝播して第１のスラブ導波路１０２との接続部に達したときの位相差φは、
［数２］ φ＝φ_０＋２πΔｎ（Ｔ）Ｌ／λ
と表される。

図３は、温度Ｔに対するΔｎ（Ｔ）の温度変化の例を示している。ここでΔｎ（Ｔ）は、使用温度領域において、Δｎ（Ｔ_Ｃ）−０．５λ_Ｃ／ＬからΔｎ（Ｔ_Ｃ）＋０．５λ_Ｃ／Ｌに至る直線的な変化が与えられる。ここでλ_Ｃは、［数１］にあるＡＷＧの透過中心波長である。このときマルチモード導波路１０７の長さＬは、温度Ｔ＝Ｔ_Ｃにおいて、蛇行しながら伝播する波長λ_Ｃ光フィールドの光強度ピークが第１のスラブ導波路１０２との接続点において、光波の進行方向に向かい最も右側になるよう設定されている。温度Ｔ＝Ｔ_Ｃにおける該光フィールドの光強度ピークの軌跡を図２上の曲線Ｓに示し、第１のスラブ導波路１０２への入射位置を点Ｑに示す。温度がＴ_Ｃから変化すると、実効屈折率差Δｎ（Ｔ）は、図３のように変化する。［数２］から、Ｔ＝Ｔ_Ｃ−ΔＴにおける１次モード光と基底モード光の位相差φは、Ｔ＝Ｔ_Ｃのときに比較してπラジアン（１８０度）小さい。従って、マルチモード導波路１０７を蛇行しながら伝播する光フィールドの光強度ピークの軌跡は、図２上の線Ｒに示すように、Ｔ＝Ｔ_Ｃのときより周期が長く逆相となり、第１のスラブ導波路１０２との接続点においては、光波の進行方向に向かい最も左側にピークが位置することになる。これは図２上点Ｐで示されている。

また、Ｔ＝Ｔ_Ｃ＋ΔＴにおいて位相差φは、Ｔ＝Ｔ_Ｃのときと比較してπラジアン（１８０）度大きい。従って、マルチモード導波路１０７を蛇行しながら伝播する光フィールドの光強度ピークの軌跡は、図２上の線Ｔに示すように、Ｔ＝Ｔ_Ｃのときより周期が短く逆相となり、第１のスラブ導波路１０２との接続点においては、やはり光波の進行方向に向かい最も左側にピークが位置することになる。このような、第１のスラブ導波路１０２に入射する光フィールドの光強度ピーク位置の温度変動は、ＡＷＧにおいては透過中心波長の温度変動となる。上述の変動の場合、Ｔ＝Ｔ_Ｃすなわちピークが点Ｑにあるときに透過中心波長は、最も長波長となり、Ｔ＝Ｔ_Ｃ−ΔＴおよびＴ_Ｃ＋ΔＴすなわちピークが点Ｐにあるときに最も短波長となる。

図４は、このＡＷＧにおける透過中心波長の温度変動を、温度を横軸として表した図である。線Ｘは図２、３で説明した光フィールドのピーク位置変動による透過中心波長変動を示しており、その挙動は正弦関数的である。また線Ｙには、従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいて僅かに残留する透過中心波長の高次の温度依存性を示している。これらにおいては、温度Ｔ＝Ｔ_Ｃでの値をゼロとした相対的な透過中心波長を示している。本発明の光波長合分波回路において、ＡＷＧ回路全体の透過中心波長の温度依存性は、上述の２種類の温度依存性を足し合わせたものとなる。合成された透過中心波長の温度依存性については、線Ｚに示す。図４より、本発明の波長合分波回路においては、従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいて残留していた透過中心波長の高次の温度依存性を補償し、使用温度領域での透過中心波長変動がより小さいことが分かる。ここで、光フィールドの光強度ピーク位置変動による透過波長変動の幅（振幅）δλは、１次モード光励起機構１０６において生成される１次モード光の基底モード光との強度比により決定される。上記δλを、従来技術によるアサーマルＡＷＧにおける透過中心波長の高次の温度変動の幅に等しくなるようにすれば、本発明の波長合分波回路における透過中心波長の温度依存性は、最も抑制される。

ここで、マルチモード導波路１０７の幅は、少なくとも１次モード光までは伝播可能である程度までは広く、２次モード光は伝播できない、すなわち２次モードの実効屈折率が存在しない程度の幅であることが好ましい。これは、２次以上の高次モード光の発生が、本発明の波長合分波回路において、透過波形の劣化、クロストークの劣化、損失の増大を招く可能性があるからである。

基底モード光と１次モード光の実効屈折率差が温度により変動する機構を有するマルチモード導波路を実現する構成としては、マルチモード導波路のクラッドの一部または全部を導波路コアとは屈折率温度係数の異なる材料で置き換える構成が考えられる。ただし導波路に光波を伝播させるために、クラッドを置き換える材料は、使用温度範囲でコアよりも屈折率が低い材料であることが必要である。この構成により導波路への光の閉じ込めが温度により変化するため、基底モード光と１次モード光の実効屈折率差も温度変動する。さらに具体的な構成としては、導波路コア両側面に接するように溝を形成し、光学樹脂等を挿入する構成が考えられる。このような構成は、［非特許文献２］において開示されており、従来のアサーマルＡＷＧから工程を何ら変えることなく、同時に作製できるという点で優れている。また温度補償材料として、ＡＷＧの温度補償手段に使用されているものと同材料を使用するならば、新規の材料を付加することなく作製できるという点でも好ましい。

また、１次モード光励起機構を実現する具体的な構成としては、各導波路コアの中心軸をずらして接続した導波路オフセットが、最も簡易な構成として挙げられる。コアが不連続に接続する部位において１次モード光が励起され、その強度は、中心軸をずらす量により調整することができる。この構成は、従来のアサーマルＡＷＧからほとんど回路サイズ増大なく実現できる点で好ましい。また従来のアサーマルＡＷＧから工程を何ら変えることなく作製できるという点でも好ましい。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る光波長合分波回路について説明する。図５は、本実施形態におけるアサーマルＡＷＧ５００の構成を示す平面図である。光波長合分波回路５００は、第１の入出力導波路５０１と、第１のスラブ導波路５０２と、アレイ導波路５０３と、第２のスラブ導波路５０４と、第２の入出力導波路５０５と、１次モード光励起機構である導波路オフセット５０６と、マルチモード導波路５０７と、直線テーパ導波路５０９と、マルチモード導波路５０７の導波路コア側面に接するように形成された溝５０８と、第２のスラブ導波路５０４に形成された溝５１０とを備え、溝５０８、５１０には温度補償材料が充填されている。

図５において、ｉ番目のアレイ導波路の長さＬ_ｉは、Ｌ_ｉ＝Ｌ_ｌ＋（ｉ−１）・ΔＬと表され、一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。これに応じて、各アレイ導波路を通過し、中央の波長チャネルを通過する光波が、第２のスラブ導波路５０４において溝５１０により分断される長さＬ_ｉ′は、Ｌ_ｉ′＝Ｌ_ｌ′＋（ｉ−１）ΔＬ′と表され、ΔＬに比例した量ΔＬ′ずつ順次長くなるような形状をしている。このアサーマルＡＷＧは、導波路のΔが１．５％、コア厚４．５μｍ、実効屈折率温度係数α＝１．０×１０^−５＋１．９×１０^−８×Ｔ、第１の入出力導波路５０１、アレイ導波路５０３、および第２の入出力導波路５０５のコア幅は４．５μｍであり、波長チャネル数３２、中央の波長チャネルの透過波長１５４４．５３μｍ（１９４．１ＴＨｚ）、波長チャネル間隔０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）、温度補償材料はシリコーン樹脂（屈折率温度係数α′＝−３．５×１０^−４＋１．５×１０^−７×Ｔ）である。このときアレイ導波路の本数は１３０本、ΔＬは４２．４μｍである。ここで溝５１０に充填された温度補償材料により与えられる経路長差ΔＬ′は、Ｔ＝２０℃として、ΔＬ′＝ΔＬ／（１−α′／α）＝１．１８μｍと設計されており、透過中心波長の１次の温度依存性が補償されている。また、第１のスラブ導波路５０２、および第２のスラブ導波路５０４の長さは６１００μｍであり、第２の入出力導波路５０５は、第２のスラブ導波路５０４に接続する部分において１５μｍ間隔で波長チャネル数すなわち３２本配置されている。

図６は、図５のアサーマルＡＷＧにおける導波路オフセット５０６からマルチモード導波路５０７近傍を拡大した図である。各符号の説明は図５と同様である。本実施形態においてマルチモード導波路５０７は、直線テーパ導波路５０９を介して第１のスラブ導波路５０２に接続されている。マルチモード導波路５０７の導波路幅は８μｍであり、直線テーパ導波路５０９の導波路幅は、第１のスラブ導波路５０２に接続する部分で１１．５μｍである。ただし、この直線テーパ導波路の開口幅を変えることで、本光波長合分波回路の透過帯域幅を調整することも可能である。ここで、導波路オフセット５０６においては、直線テーパによりマルチモード導波路５０７と同等までコア幅を拡大し、導波路コアの中心軸を０．６μｍずらしてマルチモード導波路５０７に接続しており、この不連続なコアの接続において、基底モード光の４％程度の強度の１次モード光が励起される。

また、図７は図６における線分ＢＢ′における断面構造を示す図である。線分ＢＢ′における断面構造には、シリコン基板５１１、導波路コア５１２、クラッド５１３、および溝５０８が含まれる。溝５０８は、マルチモード導波路５０７における導波路コア側面に接するように、コア下面より深いところまでクラッドを除去することにより形成され、温度補償材料が挿入されている。また、マルチモード導波路５０７における、導波路側面に溝が形成された部分の長さは２５００μｍとしている。

図８は、本実施形態におけるマルチモード導波路５０７の側面に温度補償材料が接した部分での基底モード光と１次モード光の実効屈折率差Δｎ（Ｔ）の温度変化を示すグラフである。ここで、本実施形態の光波長合分波回路の使用温度領域は−４０〜８０℃としている。使用温度領域において、Δｎ（Ｔ）は、０．００５３から０．００５７まで変化する。これにより、マルチモード導波路５０７を伝播する基底モード光と１次モード光の位相差は、およそ２π変化する。

図９は、図８の実効屈折率差の温度変化がある場合の直線テーパ５０９の第１のスラブ導波路５０２との接続部分において、光フィールド分布の温度変化を示すグラフである。ここでグラフの横軸ｐは、図６に示すように、直線テーパ５０９の中心を原点とした相対位置である。図９には、温度−４０、２０、８０℃での光フィールド分布が示されている。使用温度領域において、基底モード光と１次モード光の位相差変化に伴い、光波フィールドのピーク位置が負から正に変化し更に負に変化する様子が確認できる。

図１０は、本実施形態の光波長合分波回路における透過中心波長の温度変動を説明するグラフである。線Ｘは、直線テーパ５０９の第１のスラブ導波路５０２との接続部分において光フィールドのピーク位置が変動することによる、透過中心波長の変動を示している。また、線Ｙは、第１のスラブ導波路５０２から第２の入出力導波路５０５に至る１次の温度依存性が補償されたＡＷＧにおいて残留している透過中心波長の高次の温度依存性を示している。本実施形態の光波長合分波回路において、ＡＷＧ回路全体の透過中心波長の温度依存性は、上述の２種類の温度依存性を足し合わせたものとなる。合成された透過中心波長の温度依存性については、線Ｚに示す。図１０によれば、本実施形態の波長合分波回路においては、従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいて−４０〜８０℃の範囲で０．０７２ｎｍ残留していた透過中心波長の高次の温度変動を補償し、その変動量を０．０３８ｎｍまで低減できることが分かる。

本実施形態においては、図６に示すように、マルチモード導波路５０７の側面に溝５０８を形成し、温度補償材料を充填したが、溝の構造はこの構成に限定されない。図１１は、別構成におけるマルチモード導波路５０７近傍を拡大した図であり、図１２は、図１１における線分ＣＣ′の断面構造を示した図である。各符号の説明は図６、７と同様である。図１１、１２の構成において、溝５０８は、マルチモード導波路５０７の導波路コア上面に接するようにコア上面の位置までクラッドを除去することにより形成され、温度補償材料が挿入されている。ここで、マルチモード導波路５０７における、導波路上面に溝５０８が形成された部分の長さは５７００μｍとしている。図１１、１２の構成は、図６、７の構成に比較して加工する溝５０８が浅いので、より加工精度に優れるという利点を有する。

また、図１３は、更に別構成におけるマルチモード導波路５０７近傍を拡大した図であり、図１４は、図１３における線分ＤＤ′の断面構造を示した図である。各符号の説明は図６、７と同様である。図１３、１４の構成において、溝５０８は、マルチモード導波路５０７の導波路コア上面および側面に接するように、コア上部のクラッドを除去するとともに、コア下面より深い位置までコア側面のクラッドを除去することにより形成され、温度補償材料が挿入されている。ここで、マルチモード導波路５０７における導波路上面および側面に溝５０８が形成された部分の長さは１３００μｍとしている。図１３、１４の構成は、図６、７の構成に比較してマルチモード導波路の長さを短く設計できるので、より回路サイズを小さくできるという利点を有する。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る光波長合分波回路について説明する。図１７は、本実施形態におけるアサーマルＡＷＧ１５００の構成を示す平面図である。図１７において、アサーマルＡＷＧ１５００は、第１の入出力導波路１５０１と、第１のスラブ導波路１５０２と、アレイ導波路１５０３と、第２のスラブ導波路１５０４と、第２の入出力導波路１５０５と、１次モード光励起機構である導波路オフセット１５０６と、マルチモード導波路１５０７と、直線テーパ導波路１５０９と、マルチモード導波路１５０７の導波路コア側面に接するように形成された溝１５０８と、金属棒１５１０とを備える。溝１５０８には温度補償材料が充填されている。本実施形態のアサーマルＡＷＧのチップは、ＡＷＧの回路に沿い弧状に切断されている。また、金属棒１５１０の両端は、弧状のＡＷＧチップの両端付近に接合されている。また、金属の材質は本実施形態においてはアルミである。

図１５において、アレイ導波路１５０３は、一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。このアサーマルＡＷＧは、導波路のΔが１．５％、コア厚４．５μｍ、実効屈折率温度係数α＝１．０×１０^−５＋１．９×１０^−８×Ｔ、第１の入出力導波路１５０１、アレイ導波路１５０３、および第２の入出力導波路１５０５のコア幅は４．５μｍであり、波長チャネル数３２、中央の波長チャネルの透過波長１５４４．５３μｍ（１９４．１ＴＨｚ）、波長チャネル間隔０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）である。このときアレイ導波路の本数は１３０本、ΔＬは４２．４μｍである。また、第１のスラブ導波路１５０２、および第２のスラブ導波路１５０４の長さは、６１００μｍであり、第２の入出力導波路１５０５は、第２のスラブ導波路１５０４に接続する部分において１５μｍ間隔で波長チャネル数すなわち３２本配置されている。ここで金属棒１５１０は、材質の熱膨張係数に従い温度により伸縮する。このとき接合されたＡＷＧチップも形状が変化するが、高温では伸張する金属棒によりΔＬが小さくなるように変形し、低温では収縮する金属棒によりΔＬが大きくなるように変形する。従って、金属棒の長さを適切に設定することにより、隣接するアレイ導波路の光路長差（導波路の実効屈折率とΔＬの積）における温度変動を抑制し、透過中心波長の１次の温度依存性が補償されている。

図１６は、図１５のアサーマルＡＷＧにおける導波路オフセット１５０６からマルチモード導波路１５０７近傍を拡大した図である。各符号の説明は図１５と同様である。本実施形態において、マルチモード導波路１５０７は、直線テーパ導波路１５０９を介して第１のスラブ導波路１５０２に接続されている。マルチモード導波路１５０７の導波路幅は８μｍであり、直線テーパ導波路１５０９の導波路幅は、第１のスラブ導波路１５０２に接続する部分で１１．５μｍである。ここで、導波路オフセット１５０６においては、直線テーパによりマルチモード導波路１５０７と同等までコア幅を拡大し、導波路コアの中心軸を０．５μｍずらしてマルチモード導波路１５０７に接続しており、この不連続なコアの接続において、基底モード光の３％程度の強度の１次モード光が励起される。また溝１５０８は、マルチモード導波路１５０７における導波路コア側面に接するように、コア下面より深いところまでクラッドを除去することにより形成され、温度補償材料であるシリコーン樹脂（屈折率温度係数α′＝−３．５×１０^−４＋１．５×１０^−７×Ｔ）が挿入されている。ここで、マルチモード導波路１５０７における導波路側面に溝が形成された部分の長さは、２２００μｍとしている。

本実施形態におけるマルチモード導波路１５０７の側面に温度補償材料が接した部分での基底モード光と１次モード光の実効屈折率差の温度変化は、図８と同様となる。ここで本実施形態の光波長合分波回路の使用温度領域は−４０〜８０℃としている。使用温度領域において、実効屈折率差は０．００５３から０．００５７まで変化する。これにより、マルチモード導波路１５０７を伝播する基底モード光と１次モード光の位相差はおよそ２π変化することになる。この位相変化に伴い、直線テーパ１５０９と第１のスラブ導波路１５０２の接続部において、図９と同様な光フィールドの温度変化が生じる。

図１７は、本実施形態のアサーマルＡＷＧにおける透過中心波長の温度変動を説明するグラフである。線Ｘは、光フィールドのピーク位置変動による透過中心波長の温度変動を示している。また、線Ｙは、金属棒１５１０の熱伸縮により１次の温度依存性が補償されたＡＷＧにおいて残留している透過中心波長の高次の温度依存性を示している。ＡＷＧ回路全体の透過中心波長の温度依存性は、線Ｚに示す。本実施形態の波長合分波回路においては、−４０〜８０℃の範囲で透過中心波長の温度変動量は０．０２６ｎｍであり、従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいて残留していた透過中心波長の高次の温度変動が補償され、低減されていることが分かる。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る光波長合分波回路について説明する。図１８は、本実施形態におけるアサーマルＡＷＧ１８００の構成を示す平面図である。アサーマルＡＷＧ１８００は、第１の入出力導波路１８０１と、第１のスラブ導波路１８０２と、アレイ導波路１８０３と、第２のスラブ導波路１８０４と、第２の入出力導波路１８０５と、１次モード光励起機構である導波路オフセット１８０６と、マルチモード導波路１８０７と、直線テーパ導波路１８０９と、マルチモード導波路１８０７の導波路コア側面に接するように形成された溝１８０８と、金属板１８１０とを備える。溝１５０８には、温度補償材料が充填されている。本実施形態のアサーマルＡＷＧは、第１のスラブ導波路１８０２を分断するように２つのチップに切断されている。金属板１８１０は、切断された２つのチップのそれぞれに接合されている。また金属の材質は本実施形態においてはアルミである。

図１８において、アレイ導波路１８０３は一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。このアサーマルＡＷＧは、導波路のΔが１．５％、コア厚４．５μｍ、実効屈折率温度係数α＝１．０×１０^−５＋１．９×１０^−８×Ｔ、第１の入出力導波路１８０１、アレイ導波路１８０３、および第２の入出力導波路１８０５のコア幅は４．５μｍであり、波長チャネル数３２、中央の波長チャネルの透過波長１５４４．５３μｍ（１９４．１ＴＨｚ）、波長チャネル間隔０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）である。このときアレイ導波路の本数は１３０本、ΔＬは４２．４μｍである。また、第１のスラブ導波路１８０２、および第２のスラブ導波路１８０４の長さは６１００μｍであり、第２の入出力導波路１８０５は、第２のスラブ導波路１８０４に接続する部分において１５μｍ間隔で波長チャネル数すなわち３２本配置されている。ここで、金属板１８１０は、材質の熱膨張係数に従い温度により伸縮する。このとき接合された２つのチップの相対位置が変化するが、アレイ導波路１８０３のあるチップを基準として第１の入出力導波路１８０１側のチップは、高温では伸張する金属板１８１０により図面上方に移動し、低温では収縮する金属板１８１０により図面下方に移動する。従って、金属板の長さを適切に設定することによりアレイ導波路１８０３における光路長差の温度変動を補償するように、この第１の入出力導波路１８０１側のチップの位置変化を生じさせることが可能であり、この構造によりＡＷＧにおける透過中心波長の１次の温度依存性が補償されている。

図１９は、図１８のアサーマルＡＷＧにおける導波路オフセット１８０６からマルチモード導波路１８０７近傍を拡大した図である。各符号の説明は図１８と同様である。本実施形態において、マルチモード導波路１８０７は、直線テーパ導波路１８０９を介して第１のスラブ導波路１８０２に接続されている。マルチモード導波路１８０７の導波路幅は８μｍであり、直線テーパ導波路１８０９の導波路幅は、第１のスラブ導波路１８０２に接続する部分で１１．５μｍである。ここで、導波路オフセット１８０６においては、直線テーパによりマルチモード導波路１８０７と同等までコア幅を拡大し、導波路コアの中心軸を０．５μｍずらしてマルチモード導波路１８０７に接続しており、この不連続なコアの接続において、基底モード光の３％程度の強度の１次モード光が励起される。また、溝１８０８は、マルチモード導波路１８０７における導波路コア側面に接するように、コア下面より深いところまでクラッドを除去することにより形成され、温度補償材料であるシリコーン樹脂（屈折率温度係数α′＝−３．５×１０^−４＋１．５×１０^−７×Ｔ）が挿入されている。ここで、マルチモード導波路１８０７における導波路側面に溝１８０８が形成された部分の長さは２２００μｍとしている。

本実施形態におけるマルチモード導波路１８０７の側面に温度補償材料が接した部分での基底モード光と１次モード光の実効屈折率差の温度変化は、図８と同様となる。ここで本実施形態の光波長合分波回路の使用温度領域は、−４０〜８０℃としている。使用温度領域において、実効屈折率差は０．００５３から０．００５７まで変化する。これにより、マルチモード導波路１８０７を伝播する基底モード光と１次モード光の位相差は、およそ２π変化することになる。この位相変化に伴い、直線テーパ１８０９と第１のスラブ導波路１８０２の接続部において、図９と同様な光フィールドの温度変化が生じる。

図２０は、本実施形態のアサーマルＡＷＧにおける透過中心波長の温度変動を説明するグラフである。線Ｘは、光フィールドのピーク位置変動による透過中心波長の温度変動を示している。また、線Ｙは、金属棒１８１０の熱伸縮により１次の温度依存性が補償されたＡＷＧにおいて残留している透過中心波長の高次の温度依存性を示している。ＡＷＧ回路全体の透過中心波長の温度依存性は、線Ｚに示す。本実施形態の波長合分波回路において、−４０〜８０℃の範囲で透過中心波長の温度変動量は０．０２６ｎｍであり、従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいて残留していた透過中心波長の高次の温度変動が補償され、低減されていることが分かる。

［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る光波長合分波回路について説明する。図２１は、本実施形態におけるアサーマルＡＷＧ２１００の構成を示す平面図である。アサーマルＡＷＧ２１００は、第１の入出力導波路２１０１と、第１のスラブ導波路２１０２と、アレイ導波路２１０３と、第２のスラブ導波路２１０４と、第２の入出力導波路２１０５と、１次モード光励起機構である導波路オフセット２１０６と、マルチモード導波路２１０７と、パラボラ形状のテーパ導波路２１０９と、マルチモード導波路２１０７の導波路コア側面に接するように形成された溝２１０８と、第２のスラブ導波路２１０４に形成された溝２１１０とを備え、溝２１０８、２１１０には温度補償材料が充填されている。

アレイ導波路２１０３の長さは、一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。これに応じて、各アレイ導波路を通過し、中央の波長チャネルを通過する光波が、第２のスラブ導波路２１０４において溝２１１０により分断される長さは、ΔＬに比例した量ΔＬ′ずつ順次長くなるような形状をしている。このアサーマルＡＷＧは、導波路のΔが１．５％、コア厚４．５μｍ、実効屈折率温度係数α＝１．０×１０^−５＋１．９×１０^−８×Ｔ、第１の入出力導波路２１０１、アレイ導波路２１０３、および第２の入出力導波路２１０５のコア幅は４．５μｍであり、波長チャネル数３２、中央の波長チャネルの透過波長１５４４．５３μｍ（１９４．１ＴＨｚ）、波長チャネル間隔０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）、温度補償材料はシリコーン樹脂（屈折率温度係数α′＝−３．５×１０^−４＋１．５×１０^−７×Ｔ）である。このときアレイ導波路の本数は１５０本、ΔＬは４２．４μｍである。ここで、溝２１１２に充填された温度補償材料により与えられる経路長差ΔＬ′は、Ｔ＝２０℃として、ΔＬ′＝ΔＬ／（１−α′／α）＝１．１８μｍと設計されており、透過中心波長の１次の温度依存性が補償されている。また、第１のスラブ導波路２１０２、および第２のスラブ導波路２１０４の長さは、７３００μｍであり、第２の入出力導波路２１０５は、第２のスラブ導波路２１０４に接続する部分において１８μｍ間隔で波長チャネル数すなわち３２本配置されている。

図２２は、図２１のアサーマルＡＷＧにおける導波路オフセット２１０６からマルチモード導波路２１０７近傍を拡大した図である。各符号の説明は、図２１と同様である。本実施形態において、マルチモード導波路２１０７は、パラボラ形状のテーパ導波路２１０９を介して第１のスラブ導波路２１０２に接続されている。マルチモード導波路２１０７の導波路幅は８μｍであり、パラボラ形状テーパ導波路２１０９の導波路幅は、第１のスラブ導波路２１０２に接続する部分で１６μｍである。ここで、導波路オフセット２１０６においては、直線テーパによりマルチモード導波路２１０７と同等までコア幅を拡大し、導波路コアの中心軸を０．６μｍずらしてマルチモード導波路２１０７に接続しており、この不連続なコアの接続において、基底モード光の４％程度の強度の１次モード光が励起される。また、溝２１０８は、マルチモード導波路２１０７における導波路コア側面に接するように、コア下面より深いところまでクラッドを除去することにより形成され、温度補償材料が挿入されている。ここで、マルチモード導波路２１０７における導波路側面に溝２１０８が形成された部分の長さは２５００μｍとしている。

本実施形態におけるマルチモード導波路２１０７の側面に温度補償材料が接した部分での基底モード光と１次モード光の実効屈折率差の温度変化は、図８と同様となる。ここで本実施形態の光波長合分波回路の使用温度領域は、−４０〜８０℃としている。使用温度領域において、実効屈折率差は０．００５３から０．００５７まで変化する。これにより、マルチモード導波路１５０７を伝播する基底モード光と１次モード光の位相差は、およそ２π変化することになる。図２３は、図８と同様の実効屈折率差変化がある場合の、パラボラテーパ導波路２１０９の第１のスラブ導波路２１０２との接続部分における光フィールド分布の温度変化を示したグラフである。ここでグラフの横軸ｐは、図２２に示すように、パラボラテーパ導波路２１０９の中心を原点とした相対位置である。図２３には、温度−４０、２０、８０℃での光フィールド分布が示されている。マルチモード導波路２１０７からパラボラテーパ導波路２１０９に入力した基底モード光の一部は、２次モード光に変換され、パラボラテーパ導波路２１０９の終端では双峰状のフィールドとなる。このとき基底モード光と２次モード光のパワー比と位相差は、パラボラテーパ導波路２１０９の形状により決定され、その温度変化はほとんどない。一方、マルチモード導波路２１０７からパラボラテーパ導波路２１０９に入力した１次モード光は、そのまま１次モードとしてパラボラテーパ導波路２１０９の終端に達する。この１次モード光の影響により、パラボラテーパ導波路２１０９の終端での双峰状のフィールドは、非対称なフィールドとなり、その非対称性は、基底および２次モード光と、１次モード光との位相差により決定される。図２３によれば、光フィールド分布は、使用温度領域において、基底および２次モード光と１次モード光の位相差変化に伴い、光波フィールド非対称性が変化し、光パワーの重心位置が負から正に変化し更に負に至るまで変化している。

図２４は、本実施形態のアサーマルＡＷＧにおける透過中心波長の温度変動を説明するグラフである。線Ｘは、光フィールドの重心変動による透過中心波長の温度変動を示している。また、線Ｙは、第１のスラブ導波路２１０２から第２の入出力導波路２１０５に至る１次の温度依存性が補償されたＡＷＧにおいて残留している透過中心波長の高次の温度依存性を示している。ＡＷＧ回路全体の透過中心波長の温度依存性は線Ｚに示す。

図２５は、本実施形態のアサーマルＡＷＧにおける温度−４０、２０、８０℃での透過波形を示すグラフである。パラボラテーパ導波路２１０９において、双峰状のフィールドが励起されることにより、透過帯域の広い波形が実現される。図２５によれば、透過波形の非対称性が変化しながら、透過中心波長の温度変動が抑制されている様子が確認できる。図２４、２５から、本実施形態の波長合分波回路においては、−４０〜８０℃の範囲で透過中心波長の温度変動量は０．０４８ｎｍに抑制されており、透過帯域が広く、かつ従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいて残留していた透過中心波長の高次の温度変動が補償されていることが分かる。

［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態に係る光波長合分波回路について説明する。図２６は、本実施形態におけるアサーマルＡＷＧ２６００の構成を示す平面図である。アサーマルＡＷＧ２６００は、第１の入出力導波路２６０１と、第１のスラブ導波路２６０２と、アレイ導波路２６０３と、第２のスラブ導波路２６０４と、第２の入出力導波路２６０５と、１次モード光励起機構である導波路オフセット２６０６と、マルチモード導波路２６０７と、直線テーパ導波路２６０９と、マルチモード導波路２６０７の導波路コア側面に接するように形成された溝２６０８と、第２のスラブ導波路２６０４に形成された溝２６１０とを備え、溝２６０８、２６１０には温度補償材料が充填されている。

アレイ導波路２６０３の長さは、一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。これに応じて、各アレイ導波路を通過し、中央の波長チャネルを通過する光波が、第２のスラブ導波路２６０４において溝２６１０により分断される長さは、ΔＬに比例した量ΔＬ′ずつ順次長くなるような形状をしている。このアサーマルＡＷＧは、導波路のΔが１．５％、コア厚４．５μｍ、実効屈折率温度係数α＝１．０×１０^−５＋１．９×１０^−８×Ｔ、第１の入出力導波路２６０１、アレイ導波路２６０３、および第２の入出力導波路２６０５のコア幅は４．５μｍであり、波長チャネル数３２、中央の波長チャネルの透過波長１５４４．５３μｍ（１９４．１ＴＨｚ）、波長チャネル間隔０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）、温度補償材料はシリコーン樹脂（屈折率温度係数α′＝−３．５×１０^−４＋１．５×１０^−７×Ｔ）である。このときアレイ導波路の本数は１５０本、ΔＬは４２．４μｍである。ここで溝２６１２に充填された温度補償材料により与えられる経路長差ΔＬ′は、Ｔ＝２０℃として、ΔＬ′＝ΔＬ／（１−α′／α）＝１．１８μｍと設計されており、透過中心波長の１次の温度依存性が補償されている。また、第１のスラブ導波路２６０２、および第２のスラブ導波路２６０４の長さは、７３００μｍであり、第２の入出力導波路２６０５は、第２のスラブ導波路２６０４に接続する部分において、１８μｍ間隔で波長チャネル数すなわち３２本配置されている。

図２７は、図２６のアサーマルＡＷＧにおける導波路オフセットからマルチモード導波路２６０７近傍を拡大した図である。各符号の説明は図２６と同様である。本実施形態においてマルチモード導波路２６０７は、直線テーパ導波路２６０９を介して第１のスラブ導波路２６０２に接続されている。マルチモード導波路２６０７の導波路幅は８μｍであり、直線テーパ導波路２６０９の導波路幅は、第１のスラブ導波路２６０２に接続する部分で１１．５μｍである。ここで、導波路オフセット２６０６においては、直線テーパによりマルチモード導波路２６０７と同等までコア幅を拡大し、導波路コアの中心軸を０．６μｍずらしてマルチモード導波路２６０７に接続しており、この不連続なコアの接続において、基底モード光の４％程度の強度の１次モード光が励起される。また溝２６０８は、マルチモード導波路２６０７における導波路コア側面に接するように、コア下面より深いところまでクラッドを除去することにより形成され、温度補償材料が挿入されている。ここで、マルチモード導波路２６０７における導波路側面に溝が形成された部分の長さは、２５００μｍとしている。

図２８は、図２６のアサーマルＡＷＧにおける第２のスラブ導波路２６０４と第２の入出力導波路２６０５の接続部近傍を拡大した図である。各符号の説明は図２６と同様である。ただし本実施形態において第２の入出力導波路２６０５は全て、パラボラ形状のテーパ導波路２６１４を介して第２のスラブ導波路２６０４に接続されている。パラボラテーパ導波路２６１４の導波路幅は、第２のスラブ導波路２６０４に接続する部分で１６μｍである。パラボラテーパ導波路２６１４の終端において、基底モード光の一部は、２次モード光に変換され、双峰状のフィールドとなる。このとき基底モード光と２次モード光のパワー比と位相差は、パラボラテーパ導波路２６１４の形状により決定され、その温度変化はほとんどない。また、パラボラテーパ導波路２６１４の形状が中心軸に対して対称であるので、一次モード光は励起されない。

本実施形態におけるマルチモード導波路２６０７の側面に温度補償材料が接した部分での基底モード光と１次モード光の実効屈折率差の温度変化は、図８と同様となる。ここで本実施形態の光波長合分波回路の使用温度領域は−４０〜８０℃としている。使用温度領域において、実効屈折率差は０．００５３から０．００５７まで変化する。これにより、マルチモード導波路２６０７を伝播する基底モード光と１次モード光の位相差は、およそ２π変化することになる。この位相変化に伴い、直線テーパ２６０９と第１のスラブ導波路２６０２の接続部において、図９と同様な光フィールドの温度変化が生じる。

図２９は、本実施形態のアサーマルＡＷＧにおける透過中心波長の温度変動を説明するグラフである。線Ｘは、直線テーパ２６０９終端での光フィールドのピーク位置変動による透過中心波長の温度変動を示している。また、線Ｙは、第１のスラブ導波路２６０２から第２の入出力導波路２６０５に至る１次の温度依存性が補償されたＡＷＧにおいて残留している透過中心波長の高次の温度依存性を示している。ＡＷＧ回路全体の透過中心波長の温度依存性は線Ｚに示す。

図３０は、本実施形態のアサーマルＡＷＧにおける温度−４０、２０、８０℃での透過波形を示すグラフである。パラボラテーパ導波路２６１４において、双峰状のフィールドが励起されることにより、透過帯域の広い波形が実現される。また、パラボラテーパ導波路２６１４において、１次モード光は励起されないため、使用温度領域で透過波形はほぼ対称性を保持しながらも、透過中心波長の温度変動が抑制されている。図２９、３０から、本実施形態の波長合分波回路においては、−４０〜８０℃の範囲で透過中心波長の温度変動量は、０．０３８ｎｍに抑制されており、透過帯域が広く、透過波形の変動がほとんどなく、かつ従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいて残留していた透過中心波長の高次の温度変動が補償されていることが分かる。

［第６の実施形態］
本発明の第６の実施形態に係る光波長合分波回路について説明する。図３１は、本実施形態におけるアサーマルＡＷＧ３１００の構成を示す平面図である。アサーマルＡＷＧ３１００は、第１の入出力導波路３１０１と、第１のスラブ導波路３１０２と、アレイ導波路３１０３と、第２のスラブ導波路３１０４と、第２の入出力導波路３１０５と、１次モード光励起機構である導波路オフセット３１０６と、マルチモード導波路３１０７と、直線テーパ導波路３１０９と、マルチモード導波路３１０７の導波路コア側面に接するように形成された溝３１０８と、第２のスラブ導波路３１０４に形成された溝３１１０とを備え、溝３１０８、３１１０には温度補償材料が充填されている。

アレイ導波路３１０３の長さは、一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。これに応じて、各アレイ導波路を通過し、中央の波長チャネルを通過する光波が、第２のスラブ導波路３１０４において溝３１１０により分断される長さは、ΔＬに比例した量ΔＬ′ずつ順次長くなるような形状をしている。このアサーマルＡＷＧは、導波路のΔが１．５％、コア厚４．５μｍ、実効屈折率温度係数α＝１．０×１０^−５＋１．９×１０^−８×Ｔ、第１の入出力導波路３１０１、アレイ導波路３１０３、および第２の入出力導波路３１０５のコア幅は４．５μｍであり、波長チャネル数３２、中央の波長チャネルの透過波長１５４４．５３μｍ（１９４．１ＴＨｚ）、波長チャネル間隔０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）、温度補償材料はシリコーン樹脂（屈折率温度係数α′＝−３．５×１０^−４＋１．５×１０^−７×Ｔ）である。このときアレイ導波路の本数は１５０本、ΔＬは４２．４μｍである。ここで、溝３１０８に充填された温度補償材料により与えられる経路長差ΔＬ′は、Ｔ＝２０℃として、ΔＬ′＝ΔＬ／（１−α′／α）＝１．１８μｍと設計されており、透過中心波長の１次の温度依存性が補償されている。また、第１のスラブ導波路３１０２、および第２のスラブ導波路３１０４の長さは、７３００μｍであり、マルチモード導波路３１０７から第２の入出力導波路３１０５に至る入出力導波路は、第２のスラブ導波路３１０４に接続する部分において１８μｍ間隔で波長チャネル数すなわち３２本配置されている。

図３２は、図３１のアサーマルＡＷＧにおける第１の入出力導波路３１０１と第１のスラブ導波路３１０２との接続部近傍を拡大した図である。各符号の説明は、図３１と同様である。ただし本実施形態において、第１の入出力導波路３１０１は、パラボラ形状のテーパ導波路３１１４を介して第１のスラブ導波路３１０２に接続されている。パラボラテーパ導波路３１１４の導波路幅は、第１のスラブ導波路３１０２に接続する部分で１６μｍである。基底モード光の一部は、パラボラテーパ導波路３１１４の終端において２次モード光に変換され、双峰状のフィールドとなる。このとき基底モード光と２次モード光のパワー比と位相差は、パラボラテーパ導波路３１１４の形状により決定され、その温度変化はほとんどない。また、パラボラテーパ導波路３１１４の形状が中心軸に対して対称であるので、一次モード光は励起されない。

図３３は、図３１のアサーマルＡＷＧにおける導波路オフセット３１０６からマルチモード導波路３１０７近傍を拡大し、１チャネル分の構造を示す図である。各符号の説明は図３１と同様である。本実施形態のアサーマルＡＷＧでは、図３３と同構造の入出力導波路が３２並んでいる。ここで本実施形態において、マルチモード導波路３１０７は、直線テーパ導波路３１０９を介して第２のスラブ導波路３１０４に接続されている。マルチモード導波路３１０７の導波路幅は８μｍであり、直線テーパ導波路３１０９の導波路幅は、第２のスラブ導波路３１０４に接続する部分で１０μｍである。ここで、導波路オフセット３１０６においては、直線テーパによってマルチモード導波路３１０７と同等までコア幅を拡大し、導波路コアの中心軸を０．６μｍずらしてマルチモード導波路３１０７に接続しており、この不連続なコアの接続において、基底モード光の４％程度の強度の１次モード光が励起される。また溝３１０８は、マルチモード導波路３１０７における導波路コア側面に接するように、コア下面より深いところまでクラッドを除去することにより形成され、温度補償材料が挿入されている。ここで、マルチモード導波路３１０７における、導波路側面に溝３１０８が形成された部分の長さは２５００μｍとしている。

本実施形態における、マルチモード導波路３１０７の側面に温度補償材料が接した部分での基底モード光と１次モード光の実効屈折率差の温度変化は、図８と同様となる。ここで本実施形態の光波長合分波回路の使用温度領域は、−４０〜８０℃としている。使用温度領域において、実効屈折率差は０．００５３から０．００５７まで変化する。これにより、マルチモード導波路３１０７を伝播する基底モード光と１次モード光の位相差は、およそ２π変化することになる。この位相変化に伴い、直線テーパ３１０９と第２のスラブ導波路３１０４の接続部において、図９と同様な光フィールドの温度変化が生じる。

本実施形態のアサーマルＡＷＧにおける、透過中心波長の温度変動は、図２９と同様である。本実施形態において、線Ｘは直線テーパ３１０９終端での光フィールドのピーク位置変動による透過中心波長の温度変動を示している。また、線Ｙは、第１の入出力導波路３１０１から第２のスラブ導波路３１０４に至る１次の温度依存性が補償されたＡＷＧにおいて残留している透過中心波長の高次の温度依存性を示している。線Ｚは、ＡＷＧ回路全体の透過中心波長の温度依存性を示す。本実施形態のアサーマルＡＷＧにおける温度−４０、２０、８０℃での透過波形を示したグラフは、図３０と同様である。第５の実施形態と同様に、パラボラテーパ導波路３１１４において双峰状のフィールドが励起されることにより、透過帯域の広い波形が実現される。またパラボラテーパ導波路３１１４において、１次モード光は励起されないため、使用温度領域で透過波形はほぼ対称性を保持しながらも、透過中心波長の温度変動が抑制されている。以上より、本実施形態の波長合分波回路においては、−４０〜８０℃の範囲で透過中心波長の温度変動量は、０．０３８ｎｍに抑制されており、透過帯域が広く、透過波形の変動がほとんどなく、かつ従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいて残留していた透過中心波長の高次の温度変動が補償されていることが分かる。

以上のように本発明の６つの実施形態によるアサーマルＡＷＧタイプの光波長合分波回路によれば、従来技術のアサーマルＡＷＧにおいて残留していた透過中心波長の高次の温度変動が補償され、従来に比較して透過中心波長精度に優れた、光波長合分波回路を得ることができる。

なお、上記全ての実施形態では、導波路の比屈折率差、コア幅及びコア厚を特定の値に限定して説明したが、本発明の適用範囲はこの値に限定されるものではない。

また、上記全ての実施形態では、ＡＷＧの設計パラメーターを特定の値に限定して説明したが、本発明の適用範囲はこのパラメーターに限定されるものではない。

また、上記全ての実施形態では、使用温度領域を特定の値に限定して説明したが、本発明の適用範囲はこの値に限定されるものではない。

また、上記全ての実施の形態では、温度補償材料としてシリコーン樹脂を使用して説明したが、本発明の適用範囲は、この材料に限定されるものではなく、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂等の光学樹脂である導波路の実効屈折率温度係数と異なる屈折率温度係数を有し、かつ使用温度範囲において、導波路コアの屈折率よりも小さい屈折率を有するいかなる材料にも適用することができる。

また、第１、第４、第５および第６の実施形態では、一次の温度依存性を補償する構成として、第２のスラブ導波路に溝を形成し温度補償材料を挿入したが、本発明の適用範囲はこの位置に限定されるものではなく、溝は第１のスラブ導波路からアレイ導波路を経て第２のスラブ導波路に至る光経路上のいかなる位置に設置し、また異なる複数の位置に分散して設置しても、一次の温度依存性を補償することができる。また、分割する溝の個数を特定の値に限定したが、本発明の適用範囲は、この数に限定されるものではない。

また、第４、第５および第６の実施形態では、第１あるいは第２の入出力導波路とスラブ導波路との接続部にパラボラテーパ導波路を適用して説明したが、本発明の適用範囲はこの構成に限定されるものではなく、基底モード光の一部を２次モード光に変換するいかなるテーパ導波路、例えばＹ分岐導波路、楕円形状導波路、ＭＭＩ等を適用することができる。

本発明の一実施形態に係る光波長合分波回路の構成概念図である。 図１において、第１の入出力導波路１０１から第１のスラブ導波路１０２の部分を拡大した図である。 本発明の一実施形態において、光波長合分波回路のマルチモード導波路１０７における、基底モード光と１次モード光に対する実効屈折率の差分Δｎ（Ｔ）の、温度Ｔに対する変化の例を示す図である。 本発明の一実施形態において、光波長合分波回路の透過中心波長の温度変動を表す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光波長合分波回路の構成図である。 図５において、１次モード励起機構５０６からマルチモード導波路５０７の部分を拡大した図である。 図６において、線ＢＢ’部分の断面構造を示す図である。 本発明の第１の実施形態において、光波長合分波回路のマルチモード導波路５０７における基底モード光と１次モード光の実効屈折率差Δｎ（Ｔ）の温度に対する変化を示す図である。 本発明の第１の実施形態において、直線テーパ５０９の第１のスラブ導波路５０２との接続部分での光フィールド分布の温度変化を示す図である。 本発明の第１の実施形態において、光波長合分波回路の透過中心波長の温度変動を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光波長合分波回路の別構成における、マルチモード導波路５０７近傍を拡大した図である。 図１１において、線ＣＣ′部分の断面構造を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光波長合分波回路の別構成における、マルチモード導波路５０７近傍を拡大した図である。 図１３において、線ＤＤ′部分の断面構造を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光波長合分波回路の構成図である。 図１５において、１次モード励起機構１５０６からマルチモード導波路１５０７の部分を拡大した図である。 本発明の第２の実施形態において、光波長合分波回路の透過中心波長の温度変動を表す図である。 本発明の第３の実施形態に係る光波長合分波回路の構成図である。 図１８において、１次モード励起機構１８０６からマルチモード導波路１８０７の部分を拡大した図である。 本発明の第３の実施形態において、光波長合分波回路の透過中心波長の温度変動を表す図である。 本発明の第４の実施形態に係る光波長合分波回路の構成図である。 図２１において、１次モード励起機構２１０６からマルチモード導波路２１０７の部分を拡大した図である。 本発明の第４の実施形態において、パラボラテーパ２１０９の第１のスラブ導波路２１０２との接続部分での光フィールド分布の温度変化を示す図である。 本発明の第４の実施形態において、光波長合分波回路の透過中心波長の温度変動を表す図である。 本発明の第４の実施形態において、温度−４０、２０、８０℃での光波長合分波回路の透過波形を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係る光波長合分波回路の構成図である。 図２６において、１次モード励起機構２６０６からマルチモード導波路２６０７の部分を拡大した図である。 図２６において、第２のスラブ導波路２６０４と第２の入出力導波路２６０５の接続部近傍を拡大した図である。 本発明の第５の実施形態において、光波長合分波回路の透過中心波長の温度変動を示す図である。 本発明の第５の実施形態において、温度−４０、２０、８０℃での光波長合分波回路の透過波形を示す図である。 本発明の第６の実施形態に係る光波長合分波回路の構成図である。 図３１において、第１の入出力導波路３１０１と第１のスラブ導波路３１０２の接続部近傍を拡大した図である。 図３１において、光スプリッタ３１０６からマルチモード導波路３１１０部分の１チャネルを拡大した図である。 従来技術における、スラブ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧの構成を示す平面図である。 図３４のアサーマルＡＷＧにおいて、線ＡＡ′部分の断面構造を示す図である。 従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいて、透過中心波長の温度変動を表す図である。

符号の説明

１００、５００、１５００、１８００、２１００、２６００、３１００、３４００ 光波長合分波回路
１０１、５０１、１５０１、１８０１、２１０１、２６０１、３１０１、３４０１ 第１の入出力導波路
１０２、５０２、１５０２、１８０２、２１０２、２６０２、３１０２、３４０２ 第１のスラブ導波路
１０３、５０３、１５０３、１８０３、２１０３、２６０３、３１０３、３４０３ アレイ導波路
１０４、５０４、１５０４、１８０４、２１０４、２６０４、３１０４、３４０４ 第２のスラブ導波路
１０５、５０５、１５０５、１８０５、２１０５、２６０５、３１０５、３４０５ 第２の入出力導波路
１０６、５０６、１５０６、１８０６、２１０６、２６０６、３１０６、３４０６ １次モード光励起機構
１０７、５０７、１５０７、１８０７、２１０７、２６０７、３１０７、３４０７ マルチモード導波路
５０８、５１０、１５０８、１８０８、２１０８、２１１０、２６０８、２６１０、３１０８、３１１０、３４０６ 温度補償材料挿入溝
５０９、１５０９、１８０９、２６０９、３１０９ 直線テーパ導波路
５１１、３４０７ シリコン基板
５１２、３４０８ 導波路コア
５１３、３４０９ クラッド
１５１０ 金属棒
１８１０ 金属板
２１０９、２６１４、３１１４ パラボラテーパ導波路

Claims (11)

1. コアおよびクラッドからなる導波路により構成されるアレイ導波路回折格子を備える光波長合分波回路であって、
   前記アレイ導波路回折格子が、
   所定の光路長差で順次長くなる導波路からなるアレイ導波路と、
   前記アレイ導波路の両端部に接続された第１および第２のスラブ導波路と、
   透過波長における主要な温度依存性を補償する温度補償手段とを備える光波長合分波回路において、
   第１の入出力導波路と、
   前記第１の入出力導波路に接続され、前記第１の入出力導波路から入力される基本モード光の一部を１次モード光に変換する１次モード光励起機構と、
   前記１次モード光励起機構に接続され、少なくとも基本および１次モード光が伝播可能であり、直接あるいはテーパ導波路を介して前記第１のスラブ導波路に接続されるマルチモード導波路であって、前記マルチモード導波路の少なくとも一部分のコア側面または上面またはその両方のクラッドが前記マルチモード導波路と異なる屈折率温度係数を有する材料に置き換えられ、基本モード光と１次モード光に対する実効屈折率の差分が温度によって変動するマルチモード導波路とを備え、
   前記マルチモード導波路の長さは、前記マルチモード導波路あるいは前記テーパ導波路の前記第１のスラブ導波路への接続部における基本モード光と１次モード光との合成光フィールドの温度変位によって生じる前記アレイ導波路回路格子の透過波長の温度依存性が、前記温度補償手段によって補償された後に残留する前記アレイ導波路回析格子の透過波長の温度依存性の一部または全部を相殺するように設定されていることを特徴とする光波長合分波回路。
2. 前記マルチモード導波路は、前記マルチモード導波路の少なくとも一部分のコア側面に接する溝が形成され、当該溝に前記マルチモード導波路のコア材料の屈折率温度係数と異なる屈折率温度係数を有する材料を挿入することにより生成されることを特徴とする請求項１に記載の光波長合分波回路。
3. 前記１次モード光励起機構は、導波路の中心軸をずらして接続する導波路オフセットであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光波長合分波回路。
4. 前記マルチモード導波路と前記第１のスラブ導波路が、直線テーパ導波路により接続されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光波長合分波回路。
5. 前記マルチモード導波路と前記第１のスラブ導波路が、パラボラ形状等の２次モード光を励起するテーパ導波路により接続されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光波長合分波回路。
6. 前記第２のスラブ導波路に接続される第２の入出力導波路を備え、前記第２の入出力導波路と前記第２のスラブ導波路が、パラボラ形状等の２次モード光を励起するテーパ導波路により接続されることを特徴とする請求項４に記載の光波長合分波回路。
7. 前記導波路は、石英系ガラスから構成され、前記溝に挿入する材料は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂等の光学樹脂であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光波長合分波回路。
8. 前記温度補償手段は、前記アレイ導波路および前記第１および第２のスラブ導波路の少なくともいずれか１つに、光波の進行方向に交差して導波路を分断する溝を形成し、前記溝に前記導波路の実効屈折率の温度係数と異なる屈折率温度係数を有する材料を挿入することにより形成される手段であることを特徴とする請求項７に記載の光波長合分波回路。
9. 前記アレイ導波路および前記第１および第２のスラブ導波路の少なくともいずれか１つに形成された溝に挿入する材料と、前記マルチモード導波路の少なくとも一部分のコアに接する溝に挿入する材料とが同一であることを特徴とする請求項８に記載の光波長合分波回路。
10. 前記温度補償手段は、回路に沿って弧状に切断したチップの両端をつなぐ金属棒を接合し、金属棒の熱伸縮によりチップを変形させ、前記アレイ導波路の光路長差の温度変化と相殺させる手段であることを特徴とする請求項７に記載の光波長合分波回路。
11. 前記温度補償手段は、前記第１あるいは第２のスラブ導波路を分断し、分断したチップを金属板で接合して、金属板の熱伸縮により分断されたスラブ導波路の相対位置を変化させることによりアレイ導波路の光路長差の温度変化による光路の変化と相殺させる手段であることを特徴とする請求項７に記載の光波長合分波回路。

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