CN102918436A - 光波导和阵列波导衍射光栅 - Google Patents

光波导和阵列波导衍射光栅 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种不增大电路规模、不使电路设计制造变得困难，且能在光从平板波导向阵列波导入射时或光从阵列波导向平板波导入射时降低插入损耗的技术。本发明的光波导，具备：平板波导（1），在内部从端部开始隔开距离地形成衍射光栅GP；阵列波导（2），端部连接于平板波导（1）的端部的形成衍射光栅GP的自成像的相长干涉部分的位置。本发明的阵列波导衍射光栅，具备：第1输入输出波导；平板波导（1）的与阵列波导（2）相反侧的端部连接于第1输入输出波导的端部的上述光波导；连接于阵列波导（2）的与平板波导（1）相反侧的端部的第2平板波导；连接于第2平板波导的与阵列波导（2）相反侧的端部的第2输入输出波导。

Description

光波导和阵列波导衍射光栅
技术领域
本发明涉及能够在光从平板波导向阵列波导入射时或光从阵列波导向平板波导入射时降低插入损耗的光波导和阵列波导衍射光栅。
背景技术
在专利文献1-6中公开有如下内容：在DWDM（Dense WavelengthDivision Multiplexing：密集波分复用）合分波器、M×N星形耦合器和1×N分路器等中，当光从平板波导向阵列波导入射时，在邻接的阵列波导间的覆层中不成为辐射模式那样的平板波导和阵列波导间的连接构造。
在专利文献1-4中，配置有波导的折射率从平板波导向阵列波导逐渐变化的过渡区域。在专利文献5中，平板波导和阵列波导之间配置有倾斜部。在专利文献6中，平板波导中配置有芯层和多个岛状区域。岛状区域的折射率小于芯层的折射率。岛状区域与邻接的阵列波导间的覆层相对。与光传输方向大致垂直的方向的岛状区域的宽度从平板波导向阵列波导变窄。通过邻接的岛状区域间的芯层的光不改变传输方向地向阵列波导传输。通过岛状区域的光由于岛状区域的锥形形状而改变传输方向并向阵列波导传输。通过使岛状区域的锥形形状和位置最佳化，从而使光集中于阵列波导而成为波导模式。
现有技术文献
专利文献：
专利文献1：美国专利第5745618号说明书
专利文献2：美国专利第7006729号说明书
专利文献3：美国专利第6892004号说明书
专利文献4：日本特开2008-293020号公报
专利文献5：日本特开2001-159718号公报
专利文献6：日本特开2003-14962号公报
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1－4中，配置有过渡区域，因而电路规模变大。在专利文献5中，配置有倾斜部，因此电路制造变得困难。在专利文献6中，需要使岛状区域的锥形形状和位置最佳化，因此电路设计变得困难。
于是，为解决所述问题，本发明的目的在于提供一种不增大电路规模、不使电路设计制造变困难、且能在光从平板波导向阵列波导入射时或光从阵列波导向平板波导入射时降低插入损耗的光波导和阵列波导衍射光栅。
为达成上述目的，在平板波导的内部形成衍射光栅，并在形成衍射光栅的自成像的相长干涉部分的位置配置阵列波导的端部。
具体地，本发明的光波导，其特征在于，具备：平板波导，从端部起隔开距离地在内部形成衍射光栅；以及阵列波导，端部连接在所述平板波导的端部的形成所述衍射光栅的自成像的相长干涉部分的位置。
根据该结构，利用塔尔伯特效应（Talbot），根据光的波长和平板波导的内部形成的衍射光栅的周期，形成衍射光栅的自成像。通过在形成衍射光栅的自成像的相长干涉部分的位置配置阵列波导的端部，从而光从平板波导向阵列波导入射时，集中于阵列波导而成为波导模式。不增大光波导的规模、不使设计制造变得困难、且能在光从平板波导向阵列波导入射时或光从阵列波导向平板波导入射时降低插入损耗。
另外，本发明的光波导，其特征在于，所述衍射光栅为相位光栅。
根据该结构，通过赋予入射光相差而使入射光衍射，因此能降低入射光的损耗。
另外，本发明的光波导，其特征在于，所述相位光栅赋予入射光的相差约为90度。
根据该结构，能清楚地形成相位光栅的自成像。
另外，本发明的光波导，其特征在于，所述相位光栅赋予入射光的相差约为180度。
根据该结构，能清楚地形成相位光栅的自成像。
另外，本发明的光波导，其特征在于，所述相位光栅具备折射率不同的区域，所述折射率不同的区域在所述平板波导内在与光传输方向大致垂直方向上隔开间隔地配置，具有与所述平板波导内的其他区域不同的折射率。
根据该结构，能在平板波导内简单地形成相位光栅。
另外，本发明的光波导，其特征在于，邻接的所述折射率不同的区域在具有与所述折射率不同的区域相等的折射率的区域相连结，所述折射率不同的区域遍及所述相位光栅整体而成为一体。
根据该结构，能在平板波导内简单地形成相位光栅。
另外，本发明的光波导，其特征在于，具备：1个以上的第1输入输出波导；所述平板波导的与所述阵列波导相反侧的端部连接在所述第1输入输出波导的端部的光波导；与所述阵列波导的和所述平板波导相反侧的端部相连接的第2平板波导；与所述第2平板波导的和所述阵列波导相反侧的端部相连接的1个以上的第2输入输出波导。
根据该结构，不增大阵列波导衍射光栅的规模、不使设计制造变得困难、且能在光从平板波导向阵列波导入射时或光从阵列波导向平板波导入射时降低插入损耗。
另外，本发明的阵列波导衍射光栅，其特征在于，具备：2个以上的第1输入输出波导；与所述第1输入输出波导的端部相连接的第1平板波导；与所述第1平板波导的和所述第1输入输出波导相反侧的端部相连接的阵列波导；与所述阵列波导的和所述第1平板波导相反侧的端部相连接的第2平板波导；以及与所述第2平板波导的和所述阵列波导相反侧的端部相连接的1个以上的第2输入输出波导，其中，所述第1平板波导从端部起隔开距离地在内部形成衍射光栅，所述阵列波导的端部连接于从形成所述衍射光栅的自成像的相长干涉部分的位置偏移了的位置，以使得光从所述第2输入输出波导向所述第1输入输出波导入射时，来自所述第1输入输出波导的光强度分布大致均匀。
根据该结构，利用光从第2输入输出波导向第1输入输出波导入射的分波器、或光从第1输入输出波导向第2输入输出波导入射的合波器，能使2个以上的第1输入输出波导的损耗均匀化。
另外，本发明的阵列波导衍射光栅，其特征在于，所述衍射光栅为相位光栅。
根据该结构，通过赋予入射光相差而使入射光衍射，因此能降低入射光的损耗。
另外，本发明的阵列波导衍射光栅，其特征在于，所述相位光栅赋予入射光的相差约为90度。
根据该结构，能清楚地形成相位光栅的自成像。
另外，本发明的阵列波导衍射光栅，其特征在于，所述相位光栅赋予入射光的相差约为180度。
根据该结构，能清楚地形成相位光栅的自成像。
另外，本发明的阵列波导衍射光栅，其特征在于，所述相位光栅具备折射率不同的区域，所述折射率不同的区域在所述平板波导内在与光传输方向大致垂直方向上隔开间隔地配置，具有与所述平板波导内的其他区域不同的折射率。
根据该结构，能在平板波导内简单地形成相位光栅。
另外，本发明的阵列波导衍射光栅，其特征在于，邻接的所述折射率不同的区域在具有与所述折射率不同的区域相等折射率的区域相连结，所述折射率不同的区域遍及所述相位光栅整体而成为一体。
根据该结构，能在平板波导内简单地形成相位光栅。
本发明提供一种不增大电路规模、不使电路设计制造变得困难、且能在光从平板波导向阵列波导入射时或光从阵列波导向平板波导入射时降低插入损耗的光波导和阵列波导衍射光栅。
附图说明
图1是表示塔尔伯特效应现象的图。
图2是表示塔尔伯特效应现象的图。
图3是表示塔尔伯特效应的计算结果的图。
图4是表示塔尔伯特效应的计算结果的图。
图5是表示塔尔伯特效应的计算结果的图。
图6是表示平板波导的相位光栅和阵列波导的入射端的位置关系的图。
图7是表示塔尔伯特效应的结算结果的图。
图8是表示平板波导的相位光栅和阵列波导的入射端的位置关系的图。
图9是表示光波导的构造的图。
图10是表示光波导的利用紫外线照射的制造方法。
图11是表示光波导的利用紫外线照射的制造方法。
图12是表示光波导的构造的图。
图13是表示光波导的构造的图。
图14是表示光波导的构造的图。
图15是表示输出通道（output channel）间的损耗分布的图。
图16是表示干涉区域长度和最小损耗的关系的图。
图17是表示干涉区域长度和输出通道间损耗偏差的关系的图。
附图标记说明
1：平板波导；2：阵列波导；11、12：折射率不同的区域；13、14：凸状区域；15：岛状区域；GP：相位光栅；GA：振幅光栅；SP、SA：自成像；ED：端部区域；IF：干涉区域；BS：边界面区域
具体实施方式
参照附图对本发明的实施方式进行说明。以下说明的实施方式是本发明的实施例，本发明并不限于以下的实施方式。此外，在本说明书和附图中符号相同的构成元件表示互相相同的元件。
（实施方式1）
在实施方式1中，首先，对塔尔伯特效应的现象和计算结果进行说明。接着，对能在光从平板波导向阵列波导入射时或光从阵列波导向平板波导入射时减小插入损耗的光波导，说明其塔尔伯特效应的现象和计算结果。
塔尔伯特效应是指，利用光入射到衍射光栅时衍射光彼此之间的干涉，在从衍射光栅离开根据光的波长和衍射光栅的周期而规定的距离的位置实现与衍射光栅的图案同样的光强度分布而作为衍射光栅的自成像，用于塔尔伯特干涉仪。
图1和图2是表示塔尔伯特效应现象的图。衍射光栅GP1、GP2是赋予入射光相差的相位光栅，衍射光栅GA是赋予入射光强度差的振幅光栅。相位光栅GP1相关的塔尔伯特效应现象显示在图1的上半部分，振幅光栅GA相关的塔尔伯特效应现象显示在图1的下半部分，相位光栅GP2相关的塔尔伯特效应现象显示在图2中。相位光栅GP1、GP2和振幅光栅GA的周期为d，相位光栅GP1赋予入射光的相差为90°，相位光栅GP2赋予入射光的相差为180°。相位光栅GP1、GP2和振幅光栅GA在xy平面内（y轴在图1和图2中未图示）配置于z=0的位置（在图1和图2中，为了方便，相位光栅GP1、GP2和振幅光栅GA表示在比z=0的位置更靠图面的左侧的位置）。入射光的波长为λ。如图1和图2的左端的箭头所示，入射光作为平行光而在z轴方向入射。
首先，对相位光栅GP1相关的塔尔伯特效应现象进行说明。在z=md2/（2λ）时，紧接在相位光栅GP1的后面形成的光的强度分布如在m=0的位置用沙点所示的那样，是均匀的，与该光强度分布同样的光强度分布表示在m=2、4、6、8、…、4n+2、4n+4、…（n为0以上的整数）的位置。另一方面，在m=1、3、5、7、…、4n+1、4n+3、…的位置，如斜线和空白所示那样地清楚地形成相位光栅GP1的自成像SP1。相位光栅GP1的自成像SP1也形成在m=1、3、5、7、…、4n+1、4n+3、…以外的位置，但并未清楚地形成，相长干涉部分和相消干涉部分的边界变得不清楚。相位光栅GP1的自成像SP1的强度周期为d。
此处，在m=1、5、…、4n+1、…的位置形成的相位光栅GP1的自成像SP1，与在m=3、7、…、4n+3、…的位置形成的相位光栅GP1的自成像SP1相比较，在x轴方向上移动了d/2。
接着，对振幅光栅GA相关的塔尔伯特效应现象进行说明。当z=md2/（2λ）时，紧接在振幅光栅GA的后面形成的光的强度分布表示在m=0的位置，与该光的强度分布同样的光的强度分布作为振幅光栅GA的自成像SA表示在m=2、4的位置。振幅光栅GA的自成像SA如斜线和空白所示那样清楚地形成在m=2、4、6、8、…、4n+2、4n+4、…（n为0以上的整数）的位置，而在m=1、3、5、7、…、4n+1、4n+3、…的位置，如用沙点所示那样，未形成振幅光栅GA的自成像SA，存在均匀的强度分布。振幅光栅GA的自成像SA也形成在m=2、4、6、8、…、4n+2、4n+4、…以外的位置，但并未清楚地形成，相长干涉部分和相消干涉部分的边界变得不清楚。振幅光栅GA的自成像SA的强度周期为d。
此处，在m=2、6、…、4n+2、…的位置形成的振幅光栅GA的自成像SA与在m=4、8、…、4n+4、…的位置形成的振幅光栅GA的自成像SA相比较，在x轴方向上移动了d/2。
接着，对相位光栅GP2相关的塔尔伯特效应现象进行说明。当z=md2/（8λ）时，紧接在相位光栅GP2的后面形成的光的强度分布在m=0的位置如用沙点所示的那样，是均匀的，与该光的强度分布同样的光强度分布表示在m=2、4、6、…、2n、…（n为0以上的整数）的位置。另一方面，如斜线和空白所示的那样在m=1、3、5、7、…、2n+1、…的位置清楚地形成相位光栅GP2的自成像SP2。相位光栅GP2的自成像SP2也形成在m=1、3、5、7、…、2n+1、…以外的位置，但并未清楚地形成，相长干涉部分和相消干涉部分的边界变得不清楚。相位光栅GP2的自成像SP2的强度周期为d/2。另外，没有自成像SP2的每次的移动。
相位光栅GP1、GP2，根据其x坐标的位置来改变光的速度，从而赋予入射光相差。振幅光栅GA根据其x坐标的位置来改变光的吸收，从而赋予入射光强度差。由此，将本发明的光波导应用于实施方式4记载的阵列波导衍射光栅等时，优选为了减少光的损耗而利用相位光栅GP1、GP2。因此，在以下说明中，对利用相位光栅GP1、GP2的情况进行详细说明，对于利用振幅光栅GA的情况，对两者不同的部分进行简要说明。
图3是表示相位光栅GP1的塔尔伯特效应的计算结果的图。在图1中，设入射光为平行光，但在图3中，考虑在平板波导中传输的光不是平行光而是扩散光，设入射光为扩散光。如图3左端的箭头所示，入射光作为扩散光向右侧方向入射。图4是表示相位光栅GP2的塔尔伯特效应的计算结果的图。在图4中，设入射光为平行光。如图4左端的箭头所示，入射光作为平行光向右侧方向入射。在图3和图4中，相位光栅GP1、GP2配置于m=0的位置。
相位光栅GP1的自成像SP1在m=1、3、5、7、…、4n+1、4n+3、…的位置，清楚地形成为清晰的黑白的层次（gradation）所示的那样，但在m=2、4、6、8、…、4n+2、4n+4、…的位置如不清晰的黑白的层次所示的那样，未清楚地形成。相位光栅GP1的自成像SP1在m=1、3、5、7、…、4n+1、4n+3、…以外的位置，越接近m=1、3、5、7、…、4n+1、4n+3、…的位置越清楚地形成，但在越接近m=2、4、6、8、…、4n+2、4n+4、…的位置越不清楚地形成。在m=0、1、2、3、…的位置非等间隔地排列是因为入射光不是平行光而是扩散光的缘故。
整体看图3，黑白的层次（gradation）随着向右侧方向行进而向图3的上下方向扩散。详细地看图3，黑白的层次在m=2、4、6、8、…、4n+2、4n+4、…的位置附近急剧变化。这与图1中在m=1、5、…、4n+1、…的位置形成的相位光栅GP1的自成像SP1和在m=3、7、…、4n+3、…的位置形成的相位光栅GP1的自成像SP1相比较在x轴方向上移动了d/2相对应。在m=1、3、5、7、…、4n+1、4n+3、…的位置形成的相位光栅GP1的自成像SP1，m越小形成得越清楚。图4的计算结果和图2的模式图显示出同样的倾向，但在图4中，在m=2、4、…的位置，可以看到与相位光栅GP2的周期同周期的峰值。这是由于，图4的仿真是以普通的光学电路为基础做出的计算，如果用芯材料和覆层材料那样折射率差小的材料来形成相位光栅GP2，则相位光栅GP2在光的传输方向上变长，在折射率低的部分传输的光传输距离越长越向折射率高的部分耦合，并在相位光栅GP2终端产生强度分布。
图5是表示赋予入射光的相差为各种各样的相差的相位光栅GP的塔尔伯特效应的计算结果的图。在图5的上段左端、上段中央、上段右端、中段左端、中段中央、中段右端、下段左端、下段中央、下段右端，相位光栅GP分别赋予入射光的各种相差为π/8、π/4、π/2、3π/4、7π/8、π、π/12、π/6、π/3。在图5中，设入射光为平行光，相位光栅GP配置于各图左端。只要能利用塔尔伯特效应清楚地形成相位光栅GP的自成像SP，则相位光栅GP赋予入射光的相差也可以是图5中的上述相差以外的相差。
接着，基于塔尔伯特效应现象和计算结果说明能在光从平板波导向阵列波导入射时或者光从阵列波导向平板波导入射时减小插入损耗的光波导。图6是表示平板波导1的相位光栅GP1或GP2和阵列波导2的端部的位置关系的图。从图6（a）到图6（c）的各自的左侧表示光波导的整体结构，图6（a）和图6（b）各自的右侧表示相位光栅GP1的自成像SP1，图6（c）的右侧表示相位光栅GP2的自成像SP2，图6（a）到图6（c）中，各自的左侧和右侧的图分别利用点划线而在图6的上下方向上位置对准。图6（a）和图6（b）中，平板波导1的相位光栅GP1和阵列波导2的端部的位置关系不同。
平板波导1由入射区域IN、相位光栅GP1或GP2和干涉区域IF构成。入射区域IN配置于平板波导1的入射侧，入射光在入射区域IN中传输。相位光栅GP1或GP2在平板波导1内部配置于入射区域IN和干涉区域IF之间，由具有不同折射率的、斜线所示的区域和空白所示的区域形成。斜线所示的区域的折射率可以比空白所示区域的折射率大，也可以比其小。入射光在折射率大的区域以较慢的速度传输，在折射率较小的区域以较快的速度传输。相位光栅GP1或GP2，根据图6的上下方向的位置改变光的速度，赋予入射光相差。干涉区域IF配置于平板波导1的阵列波导2侧的端部，用于传输衍射光。
阵列波导2在相位光栅GP1的自成像SP1或相位光栅GP2的自成像SP2的用空白表示的相长干涉部分，与平板波导1的干涉区域IF相连接。也就是说，衍射光集中分布于相位光栅GP1的自成像SP1或相位光栅GP2的自成像SP2的空白所示的相长干涉部分，因而在阵列波导2中变为波导模式。而且，衍射光几乎不分布在相位光栅GP1的自成像SP1或相位光栅GP2的自成像SP2的斜线所示的相消干涉部分，因而在覆层中不变为辐射模式。在图6中，连接有多个阵列波导2，但也可以是只连接有一个。
在图6（a）中，在与相位光栅GP1中用斜线表示的区域相对应的位置，形成相位光栅GP1的自成像SP1的空白所示的相长干涉部分，且连接有阵列波导2的端部。在图6（b）中，在与相位光栅GP1中空白所示区域对应的位置，形成相位光栅GP1的自成像SP1的空白所示的相长干涉部分，并连接有阵列波导2的端部。这样，作为平板波导1的相位光栅GP1和阵列波导2的端部的位置关系而存在不同的位置关系，这与图1所示的在m=1、5、…、4n+1、…的位置形成的相位光栅GP1的自成像SP1和在m=3、7、…、4n+3、…的位置形成的相位光栅GP1的自成像SP1相比较在x轴方向上移动了d/2相对应。在图6（c）中，在从相位光栅GP2中用斜线和空白所示的区域向与光传输方向大致平行的方向行进的位置形成相位光栅GP2的自成像SP2的空白所示的相长干涉部分，且连接有阵列波导2的端部。这样，在图6（a）和图6（b）中，相位光栅GP1的周期与阵列波导2的周期相同，在图6（c）中，相位光栅GP2的周期是阵列波导2的周期的2倍。
因此，在阵列波导2的周期相同的情况下，与图6（c）的相位光栅GP2的折射率小的区域的光传输方向大致垂直方向的宽度是与图6（a）和图6（b）的相位光栅GP1的折射率小的区域的光传输方向大致垂直方向的宽度的2倍。另外，相位光栅GP2的光传输方向的宽度L1是与相差π对应的长度，相位光栅GP1的光传输方向的宽度L1是与相差π/2对应的长度，因此，相位光栅GP2的折射率小的区域的与光传输方向大致平行方向上的宽度是相位光栅GP1的折射率小的区域的与光传输方向大致平行方向上的宽度的2倍。如果像这样地折射率小的区域变大，则光在折射率小的区域中传输时的光的辐射损耗变大。
在相位光栅GP2中，将与光传输方向大致垂直方向的折射率大的区域的宽度除以与光传输方向大致垂直方向的相位光栅GP2的周期所得的值定义为占空（duty）比。图7是表示各种各样的占空比的相位光栅GP2的塔尔伯特效应的计算结果的图。在图7的左端、
中央、右端，相位光栅GP2的占空比分别为0.75、0.5、0.25。在图7中，设入射光为平行光，相位光栅GP2配置于各图的左端。占空比越大，在m=2、4、…的位置越清楚地形成峰值。因此，如果在该峰值位置配置阵列波导2，则能使相位光栅GP2的周期与阵列波导2的周期相同，而能抑制光在折射率小的区域传输时的光的辐射损耗。
如以上所说明的那样，利用塔尔伯特效应，根据入射光的波长λ、平板波导1内部形成的衍射光栅GP1、GP2或GA的周期，形成衍射光栅GP1、GP2或GA的自成像SP1、SP2或SA。而且，通过在形成衍射光栅GP1、GP2或GA的自成像SP1、SP2或SA的相长干涉部分的位置配置阵列波导2的端部，在光从平板波导1向阵列波导2入射时，光集中于阵列波导2并成为波导模式。由此，光从平板波导1向阵列波导2入射时，能减小插入损耗。光从阵列波导2向平板波导1入射时，由于光的可逆性（reciprocity）也同样能减小插入损耗。此外，当阵列波导2在与平板波导1的边界附近分支的情况下，在形成相长干涉部分的位置配置有所分支的阵列波导2的各个端部。
（实施方式2）
在实施方式2中，对光波导的设计方法进行说明。首先，对相位光栅GP1、GP2的光传输方向的宽度L1的设定方法进行说明，接着，对干涉区域IF的光传输方向的宽度L2的设定方法进行说明，最后对阵列波导2的端部位置的设定方法进行说明。
在阵列波导2的端部，为了清楚地形成相位光栅GP1的自成像SP1，设定相位光栅GP1的光传输方向的宽度L1，以使得相位光栅GP1赋予光的相差优选为80°~100°，更优选为90°。为了使在阵列波导2的端部清楚地形成相位光栅GP2的自成像SP2，设定相位光栅GP2的光传输方向的宽度L1，以使得相位光栅GP2赋予光的相差优选为170°~190°，更优选为180°。
设光在真空中的波长为λ、折射率大的区域的折射率为n、折射率小的区域的折射率为n-δn、折射率大的区域和折射率小的区域的相对折射率差为Δ=δn/n。光在折射率大的区域中从始端到终端通过时的相位超前角度为L1÷（λ/n）×2π=2πnL1/λ。光在折射率小的区域中从始端到终端通过时的相位超前角度为L1÷（λ/（n-δn））×2π=2π（n-δn）L1/λ。相位光栅GP赋予光的相差为2πnL1/λ-2π（n-δn）L1/λ=2πδnL1/λ=2πnΔL1/λ。为使相位光栅GP1赋予光的相差为90°，可以设定L1=λ/（4nΔ）。例如，λ=1.55μm、n=1.45、Δ=0.75%时，为使相位光栅GP1赋予光的相差为90°，可以设定L1~35μm。为使相位光栅GP2赋予光的相差为180°，可以设定L1=λ/（2nΔ）。例如，λ=1.55μm、n=1.45、Δ=0.75%时，为使相位光栅GP2赋予光的相差为180°，可以设定L1~70μm。
在阵列波导2的端部，为清楚地形成相位光栅GP的自成像SP，基于图1至图4的说明，设定干涉区域IF的光传输方向的宽度L2。
如果设光在真空中的波长为λ、干涉区域IF的折射率为与上述折射率大的区域的折射率相等的n，则光的干涉区域IF中的波长为λ/n。基于图1的说明，对于相位光栅GP1，作为最佳的设计而设定为L2=md2/（2（λ/n））。例如，d=10.0μm、λ=1.55μm、n=1.45时，设定m=1的基础上，作为最佳的设计而设定为L2~47μm。基于图2的说明，对于相位光栅GP2，作为最佳的设计而设定为L2=md2/（8（λ/n））。例如，d=20.0μm、λ=1.55μm、n=1.45时，在设定m=1的基础上，作为最佳的设计而设定为L2~47μm。基于图3的说明，在进一步考虑光的扩散状况的基础上，输出塔尔伯特效应的计算结果，作为最佳的设计而设定L2。
基于图1至图4的说明，设定了干涉区域IF的光传输方向的宽度L2之后，根据图1至图4的说明，设定干涉区域IF终端的相位光栅GP的自成像SP的相长干涉部分作为阵列波导2的端部的位置。此处，优选在多个阵列波导2的端部中，不仅是中央的阵列波导2的端部，即使两端的阵列波导2的端部也清楚地形成相位光栅GP的自成像SP。因此，作为平板波导1的相位光栅GP和阵列波导2的端部的位置关系优选为图8所示的位置关系。也就是说，优选相位光栅GP的折射率大的区域的个数比阵列波导2的数目多。
为了减小光波导的规模，也为了清楚地形成衍射光栅GP或GA的自成像SP或SA，优选减小m而减小干涉区域IF的光传输方向的宽度L2。如果衍射光栅GP或GA具备使光衍射的功能，则具备包含实施方式3中说明的形状的任意形状即可。如以上说明的那样，本发明未增大光波导的规模，未使设计变难。在不采用本发明的情况下，平板波导1和阵列波导2之间的损耗大约为0.45dB，但在按照上述那样的设计方法采用本发明的情况下，能减小至0.1dB以下。
（实施方式3）
在实施方式3中，对光波导的制造方法进行说明。图9至图12是表示光波导的构造的图。图9至图11所示的光波导和图12所示的光波导在相位光栅GP的构造上不同。
图9所示的相位光栅GP具备折射率不同的区域11。折射率不同的区域11在平板波导1内在与光传输方向大致垂直方向上设置间隔地配置，具有与斜线所示的区域不同的折射率。在图9所示的光波导中，折射率不同的区域11为矩形，但也可以是任意形状。
折射率不同的区域11的折射率可以比斜线所示区域的折射率大，也可以比其小。通过将折射率大的区域和折射率小的区域在与光传输方向大致垂直方向上交互配置，由此能简单地形成相位光栅GP。
作为图9所示的光波导的制造方法，可以列举利用光刻和蚀刻的方法以及利用紫外线照射的方法等。
在利用光刻和蚀刻的方法中，首先，利用火焰直接沉积法，在Si基板上沉积作为下部覆层的SiO2微粒和作为芯层的SiO2-GeO2微粒，通过加热使其熔融透明化。接着，利用光刻和蚀刻，除去芯层不需要的部分，形成光学电路图案，但同时在折射率不同的区域11的部分也除去芯层不需要的部分。最后，当利用火焰直接沉积法沉积作为上部覆层的SiO2微粒，在通过加热使其熔融透明化而形成上部覆层时，作为折射率不同的区域11部分被覆层材料所填充。因为作为折射率不同的区域11部分填充有覆层材料，所以折射率不同的区域11的折射率小于用斜线所示区域的折射率。在上述说明中，在平板波导1和阵列波导2的形成工序中形成折射率不同的区域11，但在平板波导1和阵列波导2的形成后，既可以对作为折射率不同的区域11部分进行沟槽加工并用与芯层折射率不同的树脂等填充，也可以只通过沟槽加工而利用空气层形成折射率不同的区域11。
在利用紫外线照射的方法中，利用折射率由于紫外线照射而上升的现象。在第1方法中，在形成下部覆层和芯层后，或者在形成下部覆层、芯层和上部覆层后，在作为折射率不同的区域11部分形成掩模材料，利用紫外线照射改变作为折射率不同的区域11的部分以外的部分的折射率，由此形成折射率不同的区域11。折射率不同的区域11的折射率小于斜线所示区域的折射率。在第2方法中，在形成下部覆层和芯层后，或在形成下部覆层、芯层和上部覆层后，在作为折射率不同的区域11的部分以外的部分形成掩模材料，利用紫外线照射改变作为折射率不同的区域11的部分的折射率，由此形成折射率不同的区域11。折射率不同的区域11的折射率大于斜线所示区域的折射率。
图10和图11表示图9所示的光波导的利用紫外线照射的制造方法的图。在图10所示的制造方法中，如步骤1所示那样，在作为相位光栅GP的部分在除去了芯层的基础上，形成上部覆层。另外，如步骤2所示那样，在作为折射率不同的区域11的部分或作为折射率不同的区域11的部分以外的部分在形成了掩模材料的基础上，进行紫外线照射。在图11所示的制造方法中，如步骤1所示那样，在作为相位光栅GP部分如图9所示那样进行了芯层加工的基础上，形成上部覆层。另外，如步骤2所示那样，在作为折射率不同的区域11部分形成了掩模材料的基础上，进行紫外线照射。折射率不同的区域11和斜线所示区域的折射率差，在紫外线照射之后相比紫外线照射之前变得更大。
如果干涉区域IF具备使光干涉的功能，则可以具备任何材料。例如，干涉区域IF也可以具备芯层材料、覆层材料、被照射紫外线的SiO2-GeO2、树脂和空气等中的至少某一种材料。
图12（a）~（d）所示的光波导的制造方法与图9所示的光波导的制造方法相同。通过将上部覆层材料、树脂等填充到折射率不同的区域来形成折射率不同的区域的情况下，如图9所示，如果折射率不同的区域11的周围被斜线所示区域所包围，就有可能难以均匀地填充上部覆层材料、树脂等。与此相对，如图12（a）~（d）所示，如果形成相位光栅GP的折射率不同的区域12遍及相位光栅GP整体而成为一体，则容易均匀地填充上部覆层材料、树脂等。
图12（a）所示的相位光栅GP具备折射率不同的区域12和凸状区域13、14。折射率不同的区域12在与光传输方向大致垂直方向上具备宽度较宽的区域和宽度较窄的区域，遍及相位光栅GP整体而成为一体。宽度较宽的区域在平板波导1内在与光传输方向大致垂直方向上隔开间隔地配置，具有与斜线所示区域不同的折射率。宽度较窄的区域夹在凸状区域13、14之间，具有与宽度较宽的区域相等的折射率，与邻接的宽度较宽的区域相连结。
折射率不同的区域12的折射率可以比斜线所示部分的折射率大也可以比其小。通过使折射率大的区域和折射率小的区域在与光传输方向大致垂直方向上交互配置，就能简单地形成相位光栅GP。
在图12（a）所示的光波导中，都配置有凸状区域13、14，但既可以如图12（b）所示的光波导那样地只配置凸状区域13，也可以如图12（c）所示的光波导那样地只配置凸状区域14。在如图12（a）所示的光波导中，设定凸状区域13、14在光传输方向的宽度之和为图6所示的L1，在图12（b）所示的光波导中，设定凸状区域13的光传输方向的宽度为图6所示的L1，在图12（c）所示的光波导中，设定凸状区域14的光传输方向的宽度为图6所示的L1。图12（a）至图12（c）所示的光波导中，凸状区域13、14为矩形，但也可以是任意形状。
在图12（a）和图12（b）所示的光波导中，在与光传输方向大致垂直方向邻接的凸状区域13之间的凹状区域也可以是任意形状。图12（a）和图12（c）所示的光波导中，在与光传输方向大致垂直方向邻接的凸状区域14之间的凹状区域也可以是任意形状。另外，入射区域IN或干涉区域IF的边界面也可以是任意形状。
作为图12（a）所示的光波导的变形例，也可以如图13（a）所示的光波导那样，在凸状区域13和折射率不同的区域12的边界面上、凸状区域14和折射率不同的区域12的边界面上、以及凹状区域和折射率不同的区域12的边界面上形成边界面区域BS。图13（a）所示的边界面区域BS具有与构成干涉区域IF的芯层材料相同的折射率、或构成干涉区域IF的芯层材料和构成折射率不同的区域12的覆层材料之间的折射率。
作为图12（c）所示的光波导的变形例，也可以如图13（b）所示的光波导那样，在凸状区域14和折射率不同的区域12的边界面上、入射区域IN或干涉区域IF和折射率不同的区域12的边界面上、以及凹状区域和折射率不同的区域12的边界面上形成边界面区域BS。图13（b）所示的边界面区域BS具有与构成折射率不同的区域12的覆层材料相同的折射率、或构成干涉区域IF的芯层材料和构成折射率不同的区域12的覆层材料之间的折射率。
如图13（a）和图13（b）所示的光波导那样，通过在折射率不同的区域之间的边界面上形成使表面在不同于与光传输方向大致平行和大致垂直方向的方向上延伸的边界面区域BS，能抑制光反射，另外，能抑制在与平板端相连接的输入输出波导上的光反射。在图13（a）和图13（b）所示的光波导中，作为边界面区域BS的材料，分别用了一种材料，但也可以将多种材料组合使用。
图12（d）所示的相位光栅GP具备折射率不同的区域12和岛状区域15。折射率不同的区域12在与光传输方向大致垂直方向上具有宽度较宽的区域和宽度较窄的区域，且遍及相位光栅GP整体而成为一体。宽度较宽的区域在平板波导1内在与光传输方向大致垂直方向上隔开间隔地配置，具有与斜线所示区域不同的折射率。宽度较窄的区域夹在斜线所示区域和岛状区域15之间，具有与宽度较宽的区域相等的折射率，与邻接的宽度较宽的区域相连结。
折射率不同的区域12的折射率可以比斜线所示部分的折射率大也可以比其小。通过使折射率大的区域和折射率小的区域在与光传输方向大致垂直方向上交互配置，就能简单地形成相位光栅GP。
在图12（d）所示的光波导中，设定岛状区域15在光传输方向的宽度为图6所示的L1。在图12（d）所示的光波导中，岛状区域15为矩形，但也可以是任意形状。在图12（d）所示的光波导中，如图13（a）和图13（b）所示的光波导那样，也可以将边界面区域BS形成在折射率不同的区域之间的边界面上。
在图12所示的光波导中，凸状区域13、14或岛状区域15形成在阵列波导2的延长线上，但也可以在与光传输方向大致垂直的方向上形成在邻接的阵列波导2之间的延长线上。另外，如图14所示的光波导那样，只要能赋予光相差，则也可以在阵列波导2的延长线上以及在与光传输方向大致垂直的方向上在邻接的阵列波导2之间的延长线上形成凸状区域13、14或岛状区域15。
在图14（a）所示的光波导中，凸状区域13、14形成于阵列波导2的延长线上，岛状区域15在与光传输方向大致垂直的方向上形成于邻接的阵列波导2之间的延长线上。此处，相互邻接的凸状区域13和岛状区域15以角相连结，相互邻接的凸状区域14和岛状区域15以角相连结。
在图14（b）所示的光波导中，凸状区域13、14形成于阵列波导2的延长线上，岛状区域15-1在与光传输方向大致垂直的方向上形成于邻接的阵列波导2之间的延长线上，岛状区域15-2形成于阵列波导2的延长线上。此处，岛状区域15-1和岛状区域15-2分别在与光传输方向大致垂直的方向上隔开间隔地配置，这样配置的岛状区域15-1和15-2在与光传输方向大致平行方向上交互配置。另外，相互邻接的凸状区域13和岛状区域15-1以角相连结，相互邻接的凸状区域14和岛状区域15-1以角相连结，相互邻接的岛状区域15-1、15-2以角相连结。
在图14（c）所示的光波导中，凸状区域13、14形成于阵列波导2的延长线上，岛状区域15在与光传输方向大致垂直的方向上形成于邻接的阵列波导2之间的延长线上。此处，相互邻接的凸状区域13和岛状区域15不连结，相互邻接的凸状区域14和岛状区域15不连结。
在形成振幅衍射光栅GA而取代相位光栅GP时，作为图9的折射率不同的区域11的部分填充有光吸收性优良的遮光材料。作为遮光材料，可以使用将炭黑、金属微粒混合而成的硅树脂或环氧树脂等。
（实施方式4）
在实施方式4中，对具备实施方式1-3中说明的光波导的阵列波导衍射光栅进行说明。在阵列波导衍射光栅中，一个以上的第1输入输出波导、第1平板波导、多个阵列波导、第2平板波导以及一个以上的第2输入输出波导按照这个顺序相连接。第1平板波导和多个阵列波导分别作为平板波导1和阵列波导2而构成实施方式1-3中说明的光波导。
第1平板波导中传输多个波长的光，但可以选择多个波长中的任意波长作为图1和图2中的λ。该任意波长，例如为多个波长中的中心波长等。以该任意波长为基础，应用实施方式2中说明的设计方法和实施方式3中说明的制造方法。
衍射光栅不仅可以配置于第1平板波导，也可以配置于第2平板波导。另外，也可以将衍射光栅只配置于第1平板波导，并将专利文献1-4的过渡区域或专利文献5的倾斜部配置于第2平板波导。
（实施方式5）
在阵列波导衍射光栅中，在对从中央端口输入的光进行分波时，在输出端口之间产生损耗偏差。这是由于到达输出端口的光产生依赖于波长的相位误差，所以越远离输出中央端口其相位误差越大。另外，在利用光的可逆性对光进行合波时，产生波长所引起的强度的不均匀。在具备了相位光栅的情况下，相位光栅是根据一个波长而设计的，因而产生由与设计波长之间的偏差所引起的相位误差，从而也产生不均匀。在实施方式5中，对以下情况进行说明，即，在将实施方式4中说明的阵列波导衍射光栅作为分波器来使用的情况下，通过调整设置于输出侧平板波导的干涉区域IF的光传输方向的宽度L2，能提高输出通道间损耗的均匀性。图15至图17是表示干涉区域IF的光传输方向的宽度L2为各种各样的阵列波导衍射光栅的插入损耗的计算结果的图，利用相位光栅GP1，d=10.0μm、λ=1.55μm、n=1.45。
图15是表示各种L2时输出通道间的损耗分布的图。将中央端口示出为“0”，在相当于损耗最少的m~1的L=45μm，以中央通道的损耗作为基准进行标准化。在相当于m~1的L=45μm时，中央附近的输出通道的损耗降低，但随着靠近两端损耗增大。这是由于离中央端口越远越产生相位误差的缘故。如果改变L2，偏离次数m~1的状态并为散焦（defocus）状态，则中央附近的输出通道的损耗显著增大，但端部原本就产生有相位误差因而对损耗的影响小，损耗分布变得均匀。
图16是表示在图15的-16ch~16ch的33个输出通道中L2与最小损耗的关系的图，图17是表示L2与输出通道间损耗偏差的关系的图。可知，使用-16ch~16ch的33个输出通道的情况下，L2=60μm时，损耗偏差降低得最多。
如以上说明的那样，通过改变L2，损耗和损耗的偏差有所变化，因此通过使L2最佳化，能根据输出通道数和光波导的使用用途来设计光波导。在本实施方式中，关于作为分波器而使用了时的设置于输出侧平板波导的相位光栅进行了说明，但关于作为合波器而使用了时的设置于输入侧平板波导的相位光栅也是同样的。如果在两侧的平板波导设置，则在作为合波器或分波器使用的情况下，无论从哪个平板波导输入，都能降低损耗偏差。

Claims (13)

1.一种光波导，其特征在于，具备：
平板波导，从端部开始隔开距离地在内部形成有衍射光栅；以及
阵列波导，端部连接于所述平板波导的端部的形成所述衍射光栅的自成像的相长干涉部分的位置。
2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，
所述衍射光栅为相位光栅。
3.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于，
所述相位光栅赋予入射光的相差约为90度。
4.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于，
所述相位光栅赋予入射光的相差约为180度。
5.根据权利要求2至权利要求4中任一项所述的光波导，其特征在于，
所述相位光栅具备折射率不同的区域，所述折射率不同的区域在所述平板波导内在与光传输方向大致垂直方向上隔开间隔地配置，且具有与所述平板波导内的其他区域不同的折射率。
6.根据权利要求5所述的光波导，其特征在于，
邻接的所述折射率不同的区域在具有与所述折射率不同的区域相等的折射率的区域连结，所述折射率不同的区域遍及所述相位光栅整体而成为一体。
7.一种阵列波导衍射光栅，其特征在于，具备：
1个以上的第1输入输出波导；
权利要求1至权利要求6中任一项所述的光波导，将所述平板波导的与所述阵列波导相反侧的端部连接于所述第1输入输出波导的端部；
第2平板波导，连接于所述阵列波导的与所述平板波导相反侧的端部；以及
1个以上的第2输入输出波导，连接于所述第2平板波导的与所述阵列波导相反侧的端部。
8.一种阵列波导衍射光栅，其特征在于，具备：
2个以上的第1输入输出波导；
连接所述第1输入输出波导的端部的第1平板波导；
连接于所述第1平板波导中的与所述第1输入输出波导相反侧的端部的阵列波导；
连接于所述阵列波导中的与所述第1平板波导相反侧的端部的第2平板波导；以及
连接于所述第2平板波导中的与所述阵列波导相反侧的端部的1个以上的第2输入输出波导，
其中，所述第1平板波导在内部从端部开始隔开距离地形成衍射光栅，且将所述阵列波导的端部连接于从形成所述衍射光栅的自成像的相长干涉部分的位置偏离了的位置，以使得在光从所述第2输入输出波导向所述第1输入输出波导入射时，来自所述第1输入输出波导的光强度分布大致均匀。
9.根据权利要求8所述的阵列波导衍射光栅，其特征在于，
所述衍射光栅为相位光栅。
10.根据权利要求9所述的阵列波导衍射光栅，其特征在于，
所述相位光栅赋予入射光的相差约为90度。
11.根据权利要求9所述的阵列波导衍射光栅，其特征在于，
所述相位光栅赋予入射光的相差约为180度。
12.根据权利要求9至权利要求11中任一项所述的阵列波导衍射光栅，其特征在于，
所述相位光栅具备折射率不同的区域，所述折射率不同的区域在所述平板波导内在与光传输方向大致垂直的方向上隔开间隔地配置，且具有与所述平板波导内的其他区域不同的折射率。
13.根据权利要求12所述的阵列波导衍射光栅，其特征在于，
邻接的所述折射率不同的区域在具有与所述折射率不同的区域相等的折射率的区域连结，所述折射率不同的区域遍及所述相位光栅整体而成为一体。
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