CN103270438B - 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

本发明提供一种光波导，无须增大电路规模、不会增加电路设计制造的难度，就可以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，降低插入损失。本发明的光波导特征在于包括：形成了衍射光栅（GP或GA）的平板波导（1）；在形成衍射光栅（GP或GA）的自身像的亮干涉部分的位置连接的阵列波导（2）；以及在平板波导（1）和阵列波导（2）之间形成、与光传输方向基本上垂直的方向的折射率分布中的折射率的平均值从平板波导（1）侧朝阵列波导（2）侧平均地增大，与光传输方向基本上平行的方向的折射率分布中的折射率的平均值在阵列波导（2）的中心轴处增大的折射率变化区（DV）。

Description

光波导和阵列波导衍射光栅
技术领域
本发明涉及可以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，降低插入损失的光波导和阵列波导衍射光栅。
背景技术
专利文献1～6中公开了，在DWDM（密集波分复用）合分波器、M×N星形耦合器和1×N分波器等中，光从平板波导向阵列波导入射时，在相邻的阵列波导之间的包层处不会成为发射模式那样的、平板波导与阵列波导之间的连接结构。
在专利文献1～4中，配置波导的折射率从平板波导向阵列波导逐渐地变化的过渡区域。在专利文献5中，在平板波导与阵列波导之间配置倾斜部。在专利文献6中，在平板波导中配置芯层和多个岛状区。岛状区的折射率比芯层的折射率小。岛状区与相邻的阵列波导之间的包层相面对。与光传输方向基本上垂直的方向上的岛状区的宽度从平板波导向阵列波导变窄。通过相邻的岛状区之间的芯层的光，不改变传输方向地向阵列波导传输。通过岛状区的光，被岛状区的锥形形状改变传输方向而向阵列波导传输。通过优化岛状区的锥形形状和位置，光集中在阵列波导上而成为导波模式。
现有技术文献
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，由于配置过渡区域，所以电路规模增大。在专利文献5中，由于配置倾斜部，所以电路制造难度增加。在专利文献6中，由于必须优化岛状区的锥形形状和位置，所以电路设计难度增加。于是，为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种无须增大电路规模、不会增加电路设计制造的难度，就可以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，降低插入损失的光波导和阵列波导衍射光栅。
（用来解决问题的方案）
为了实现上述目的，在平板波导上形成衍射光栅，阵列波导与衍射光栅的形成自身像的亮干涉部分的位置连接。在此，衍射光栅的结构和位置针对特定的设计波长被优化，针对其它波长不被优化。于是，在平板波导和阵列波导之间形成折射率变化区，折射率变化区使具有其它波长的光局部分布在阵列波导上。
具体地，本发明的光波导，其特征在于包括：形成了衍射光栅的平板波导；在形成上述衍射光栅的自身像的亮干涉部分的位置连接的阵列波导；以及在上述平板波导和上述阵列波导之间形成、与光传输方向基本上垂直的方向的折射率分布中的折射率的平均值从上述平板波导侧朝上述阵列波导侧平均地增大，与光传输方向基本上平行的方向的折射率分布中的折射率的平均值在上述阵列波导的中心轴处增大的折射率变化区。
根据该构成，利用塔尔博特效应（talboteffect），根据光的波长和在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身像。通过在形成衍射光栅的自身像的亮干涉部分的位置配置阵列波导的端部，在光从平板波导向阵列波导入射时，集中在阵列波导上而成为导波模式。无须增大光波导的规模、不会增加设计制造的难度，就可以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，降低插入损失。而且，如果在平板波导和阵列波导之间形成折射率变化区，就可以使具有除衍射光栅的结构和位置被优化的特定的设计波长以外的波长的光局部分布在阵列波导上。
另外，本发明的光波导的特征在于，上述折射率变化区形成在上述平板波导和上述阵列波导之间的一部分上。
根据该构成，可以在衍射光发生干涉的区域的一部分上形成折射率变化区。
另外，本发明的光波导的特征在于，上述折射率变化区包括：高折射率区，具有与光传输方向基本上垂直的方向的宽度从上述平板波导侧朝上述阵列波导侧变宽的锥形形状，锥形形状的宽度宽的一侧在与光传输方向基本上平行的方向上与上述阵列波导相面对，锥形形状的宽度窄的一侧在与光传输方向基本上平行的方向上与上述平板波导相面对；以及低折射率区，具有比上述高折射率区低的折射率，具有与光传输方向基本上垂直的方向的宽度从上述平板波导侧朝上述阵列波导侧变窄的锥形形状，锥形形状的宽度宽的一侧在与光传输方向基本上平行的方向上与上述平板波导相面对，锥形形状的宽度窄的一侧在与光传输方向基本上平行的方向上与在与光传输方向基本上垂直的方向上相邻的上述阵列波导之间相面对。
根据该构成，可以简单地形成折射率变化区。
另外，本发明的光波导的特征在于，上述低折射率区被具有与上述高折射率区相同的折射率且沿与光传输方向基本上垂直的方向延伸的区域分割；或者，上述高折射率区被具有与上述低折射率区相同的折射率且沿与光传输方向基本上垂直的方向延伸的区域分割。
根据该构成，可以简单地形成折射率变化区。
另外，本发明的光波导的特征在于，上述折射率变化区，在与光传输方向基本上平行的方向上分别交互配置多个交互配置区和垂直延伸区，该交互配置区，在与光传输方向基本上垂直的方向上交互配置高折射率区和具有比上述高折射率区低的折射率的低折射率区，该垂直延伸区沿与光传输方向基本上垂直的方向延伸，具有与上述高折射率区相同的折射率，多个上述交互配置区中，越靠近上述阵列波导侧的交互配置区，与光传输方向基本上平行的方向的宽度越窄，或者，多个上述垂直延伸区中，越靠近上述阵列波导侧的垂直延伸区，与光传输方向基本上平行的方向的宽度越宽。
根据该构成，可以简单地形成折射率变化区。
另外，本发明的光波导的特征在于，上述低折射率区构成在与光传输方向基本上平行的方向上被分割的两个平行分割区，在与光传输方向基本上垂直的方向上留有间隔地配置上述两个平行分割区，在上述两个平行分割区之间配置具有与上述高折射率区相同的折射率的平行分割间区。
根据该构成，可以简单地形成折射率变化区。
另外，本发明的光波导的特征在于，上述衍射光栅为相位光栅。
根据该构成，由于因对入射光赋予相位差而入射光被衍射，所以可以降低入射光的损失。
另外，本发明的光波导的特征在于，上述相位光栅对入射光赋予的相位差为大致90度。
根据该构成，相位光栅的自身像清楚地形成。
另外，本发明的光波导的特征在于，上述相位光栅对入射光赋予的相位差为大致180度。
根据该构成，相位光栅的自身像清楚地形成。
另外，本发明的阵列波导衍射光栅的特征在于包括：一条以上的第一输入输出波导、上述平板波导的与上述阵列波导相反侧的端部连接到上述第一输入输出波导的端部的光波导、连接到上述阵列波导的与上述平板波导相反侧的端部的第二平板波导、以及连接到上述第二平板波导的与上述阵列波导相反侧的端部的一条以上的第二输入输出波导。
根据该构成，无须增大阵列波导衍射光栅的规模，不会增加设计制造的难度，就可以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，降低插入损失。而且，如果在平板波导和阵列波导之间形成折射率变化区，就可以使具有除衍射光栅的结构和位置被优化的特定的设计波长以外的波长的光局部分布在阵列波导上。
（发明的效果）
本发明可以提供一种无须增大电路规模、不会增加电路设计制造的难度，就可以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，降低插入损失的光波导和阵列波导衍射光栅。而且，可以使具有除衍射光栅的结构和位置被优化的特定的设计波长以外的波长的光局部分布在阵列波导上。
附图说明
图1是示出塔尔博特效应的现象的图。
图2是示出塔尔博特效应的现象的图。
图3是示出塔尔博特效应的计算结果的图。
图4是示出塔尔博特效应的计算结果的图。
图5是示出塔尔博特效应的计算结果的图。
图6是示出平板波导的相位光栅和阵列波导的入射端的关系的图。
图7是示出平板波导的相位光栅和阵列波导的入射端的关系的图。
图8是示出折射率变化区的作用效果的图。
图9是示出折射率变化区的结构的各种方式例的图。
图10是示出折射率变化区的结构的各种方式例的图。
图11是示出插入损失的计算结果和实验结果的图。
（附图标记说明）
1：平板波导；2：阵列波导；GP：相位光栅；GA：振幅光栅；SP、SA：自身像；IN：入射区；IF：干涉区；DV：折射率变化区；AP：交互配置区；VS：垂直延伸区
具体实施方式
参照附图说明本发明的实施方式。以下说明的实施方式是本发明的实施例，本发明不受以下的实施方式的限制。另外，在本说明书和附图中，附图标记相同的构成要素表示相同的构成要素。
（实施方式1）
在实施方式1中，首先，说明塔尔博特效应的现象和计算结果。然后，基于塔尔博特效应的现象和计算结果说明可以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，降低插入损失的光波导。
塔尔博特效应指，由于光入射到衍射光栅时衍射光相互发生干涉，在离衍射光栅的距离为根据光的波长和衍射光栅的周期规定的距离的位置，把与衍射光栅的图案同样的光的强度分布作为衍射光栅的自身像来实现，塔尔博特效应在塔尔博特干涉计中被应用。
图1和图2是示出塔尔博特效应的现象的图。衍射光栅GP1、GP2是对入射光赋予相位差的相位光栅，衍射光栅GA是对入射光赋予强度差的振幅光栅。图1的上半部分示出与相位光栅GP1有关的塔尔博特效应的现象，图1的下半部分示出与振幅光栅GA有关的塔尔博特效应的现象，图2示出与相位光栅GP2有关的塔尔博特效应的现象。相位光栅GP1、GP2和振幅光栅GA的周期为d，相位光栅GP1对入射光赋予的相位差为90°，相位光栅GP2对入射光赋予的相位差为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），配置在z＝0的位置上（在图1和图2中，为了方便起见，相位光栅GP1、GP2和振幅光栅GA呈现在比z＝0的位置靠图的左侧的位置）。入射光的波长是λ。入射光，像图1和图2的左端的箭头示出的那样，作为平行光向z轴方向入射。
首先，说明与相位光栅GP1有关的塔尔博特效应的现象。z＝md2/（2λ）时，紧接着相位光栅GP1之后形成的光的强度分布，在m＝0的位置像用沙粒示出的那样是均匀的，在m＝2、4、6、8、...、4n+2、4n+4、...（n为0以上的整数）的位置呈现出与该光的强度分布同样的光的强度分布。另一方面，在m＝1、3、5、7、...、4n+1、4n+3、...的位置，像用斜线和白底示出的那样，清楚地形成相位光栅GP1的自身像SP1。在m＝1、3、5、7、...、4n+1、4n+3、...以外的位置也形成相位光栅GP1的自身像SP1，但形成得不清楚，亮干涉部分和暗干涉部分的边界不清楚。相位光栅GP1的自身像SP1的强度周期为d。
在此，在m＝1、5、...、4n+1、...的位置形成的相位光栅GP1的自身像SP1，与在m＝3、7、...、4n+3、...的位置形成的相位光栅GP1的自身像SP1相比，沿x轴方向偏移d/2。
然后，说明与振幅光栅GA有关的塔尔博特效应的现象。z＝md2/（2λ）时，在m＝0的位置呈现出紧接着振幅光栅GA之后形成的光的强度分布，与该光的强度分布同样的光的强度分布，作为振幅光栅GA的自身像SA，在m＝2、4的位置呈现。振幅光栅GA的自身像SA，在m＝2、4、6、8、...、4n+2、4n+4、...（n为0以上的整数）的位置，像用斜线和白底示出的那样清楚地形成，但在m＝1、3、5、7、...、4n+1、4n+3、...的位置，像用沙粒示出的那样没有形成，存在均匀的强度分布。在m＝2、4、6、8、...、4n+2、4n+4、...以外的位置也形成振幅光栅GA的自身像SA，但形成得不清楚，亮干涉部分和暗干涉部分的边界不清楚。振幅光栅GA的自身像SA的强度周期是d。
在此，在m＝2、6、...、4n+2、...的位置形成的振幅光栅GA的自身像SA，与在m＝4、8、...、4n+4、...的位置形成的振幅光栅GA的自身像SA相比，沿x轴方向偏移d/2。
然后，说明与相位光栅GP2有关的塔尔博特效应的现象。z＝md2/（8λ）时，紧接着相位光栅GP2之后形成的光的强度分布，在m＝0的位置像用沙粒示出的那样均匀，与该光的强度分布同样的光的强度分布在m＝2、4、6、...、2n、...（n为0以上的整数）的位置呈现。另一方面，在m＝1、3、5、7、...、2n+1、...的位置，相位光栅GP2的自身像SP2像用斜线和白底示出的那样清楚地形成。在m＝1、3、5、7、...、2n+1、...以外的位置也形成相位光栅GP2的自身像SP2，但形成得不清楚，亮干涉部分和暗干涉部分的边界不清楚。相位光栅GP2的自身像SP2的强度周期是d/2。另外，自身像SP2没有按次数偏移。
相位光栅GP1、GP2，根据其x坐标的位置改变光的速度，对入射光赋予相位差。振幅光栅GA，根据其x坐标的位置改变光的吸收，对入射光赋予相位差。因此，在实施方式5中记载的阵列波导衍射光栅等中应用根据本发明的光波导时，为了降低光的损失优选利用相位光栅GP1、GP2。于是，在以下的说明中，对利用相位光栅GP1、GP2时的情况详细地说明，对利用振幅光栅GA时的情况简洁地说明两种情况下不同的部分。
图3是示出相位光栅GP1的塔尔博特效应的计算结果的图。在图1中入射光为平行光， 但在图 3 中，考虑沿平板波导传输的光不是平行光而是扩散光，入射光为扩散光。入射光，像图3左端的箭头示出的那样，作为扩散光向右侧方向入射。图4是示出相位光栅GP2的塔尔博特效应的计算结果的图。在图4中，入射光为平行光。入射光，像图4左端的箭头示出的那样，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配置在m＝0的位置上。
相位光栅GP1的自身像SP1，在m＝1、3、5、7、...、4n+1、4n+3、...的位置，像用清楚的黑白的灰度示出的那样，清楚地形成，但在m＝2、4、6、8、...、4n+2、4n+4、...的位置，像用不清楚的黑白的灰度示出的那样，没有清楚地形成。相位光栅GP1的自身像SP1，在m＝1、3、5、7、...、4n+1、4n+3、...以外的位置也是，在靠近m＝1、3、5、7、...、4n+1、4n+3、...的位置清楚地形成，在靠近m＝2、4、6、8、...、4n+2、4n+4、...的位置没有清楚地形成。m＝0、1、2、3、...的位置不是等间隔地排列，这是因为入射光不是平行光而是扩散光。
如果整体上看图3，则黑白的灰度，随着朝右侧方向行进而向图3的上下方向扩散。如果详细地看图3，则黑白的灰度在m＝2、4、6、8、...、4n+2、4n+4、...的位置附近急剧地变化。这对应于在图1中，在m＝1、5、...、4n+1、...的位置形成的相位光栅GP1的自身像SP1，与在m＝3、7、...、4n+3、...的位置形成的相位光栅GP1的自身像SP1相比，沿x轴方向偏移d/2。在m＝1、3、5、7、...、4n+1、4n+3、...的位置形成的相位光栅GP1的自身像SP1，m越小则越清楚地形成。图4的计算结果和图2的示意图表现出同样的倾向，但在图4中在m＝2、4、...的位置，看到与相位光栅GP2的周期相同的周期的峰。这是因为，图4的模拟是基于一般的光电路进行的计算，如果相位光栅GP2用像芯材料和包层材料那样的折射率差小的材料形成，则相位光栅GP2在光的传输方向上增长，如果沿折射率低的部分传输的光的传输距离长，则与折射率高的部分结合，在相位光栅GP2终端产生强度分布。
图5是示出对入射光赋予的相位差为各种各样的相位差的相位光栅GP的塔尔博特效应的计算结果的图。在图5（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（g）、（h）、（i）中，相位光栅GP对入射光赋予相位差分别是π/8、π/4、π/2、3π/4、7π/8、π、π/12、π/6、π/3。在图5中，入射光为平行光，相位光栅GP配置在各图的左端。如果利用塔尔博特效应可以清楚地形成相位光栅GP的自身像SP，则相位光栅GP对入射光赋予的相位差在图5中也可以是上述的相位差以外的相位差。
然后，基于塔尔博特效应的现象和计算结果说明可以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，降低插入损失的光波导。图6是示出平板波导1的相位光栅GP1或GP2和阵列波导2的端部的关系的图。图6（a）～图6（c）各自的左侧示出光波导的整体构成，图6（a）和图6（b）各自的右侧示出相位光栅GP1的自身像SP1，图6（c）的右侧示出相位光栅GP2的自身像SP2，在图6（a）～图6（c）各自中，左侧和右侧的图面用单点划线沿图6的上下方向对位。在图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。
光波导由平板波导1、阵列波导2和干涉区IF构成。平板波导1由入射区IN和相位光栅GP1或GP2构成。入射区IN配置在平板波导1的入射侧，入射光沿入射区IN传输。相位光栅GP1或GP2配置在入射区IN和干涉区IF之间，由具有不同折射率的用斜线示出的区域和用白底示出的区域形成。用斜线示出的区域的折射率，可以比用白底示出的区域的折射率大，也可以比用白底示出的区域的折射率小。入射光，以慢的速度沿折射率大的区域传输，以快的速度沿折射率小的区域传输。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，对入射光赋予相位差。干涉区IF配置在平板波导1和阵列波导2之间，传输衍射光。
阵列波导2，在相位光栅GP1的自身像SP1或相位光栅GP2的自身像SP2的用白底示出的亮干涉部分中，与干涉区IF连接。即，由于衍射光集中地分布在相位光栅GP1的自身像SP1或相位光栅GP2的自身像SP2的用白底示出的亮干涉部分，所以阵列波导2中成为导波模式。而且，由于衍射光基本上不分布在相位光栅GP1的自身像SP1或相位光栅GP2的自身像SP2的用斜线示出的暗干涉部分，所以包层中不是发射模式。在图6中，连接有多条阵列波导2，但也可以只连接1条阵列波导2。
在图6（a）中，在与相位光栅GP1中的用斜线示出的区域对应的位置，形成相位光栅GP1的自身像SP1的用白底示出的亮干涉部分，与阵列波导2的端部连接。在图6（b）中，在与相位光栅GP1中的用白底示出的区域对应的位置，形成相位光栅GP1的自身像SP1的用白底示出的亮干涉部分，与阵列波导2的端部连接。这样一来，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，存在不同的位置关系，这对应于像图1示出的那样，在m＝1、5、...、4n+1、...的位置形成的相位光栅GP1的自身像SP1，与在m＝3、7、...、4n+3、...的位置形成的相位光栅GP1的自身像SP1相比，沿x轴方向偏移d/2。在图6（c）中，在从相位光栅GP2中的用斜线和白底示出的区域沿与光传输方向基本上平行的方向前进的位置，形成相位光栅GP2的自身像SP2的用白底示出的亮干涉部分，与阵列波导2的端部连接。这样一来，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，但在图6（c）中，相位光栅GP2的周期是阵列波导2的周期的2倍。
像以上的说明那样，利用塔尔博特效应，根据入射光的波长λ和衍射光栅GP1、GP2或GA的周期，形成衍射光栅GP1、GP2或GA的自身像SP1、SP2或SA。而且，通过在形成衍射光栅GP1、GP2或GA的自身像SP1、SP2或SA的亮干涉部分的位置，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，光集中在阵列波导2上，成为导波模式。因此，可以在光从平板波导1向阵列波导2入射时，降低插入损失。在光从阵列波导2向平板波导1入射时，由于光的相反性，也是一样。另外，阵列波导2在与干涉区IF的边界附近分支时，在形成亮干涉部分的位置，配置分支了的阵列波导2的各端部。
（实施方式2）
在实施方式2中，说明光波导的设计方法。首先，说明相位光栅GP1、GP2的光传输方向宽度L1的设定方法，然后，说明亮干涉区IF的光传输方向宽度L2的设定方法，最后，说明阵列波导2的端部的位置设定方法。
为了在阵列波导2的端部清楚地形成相位光栅GP1的自身像SP1，把相位光栅GP1的光传输方向宽度L1设定成，相位光栅GP1对光赋予的相位差优选为80°～100°，更优选为90°。为了在阵列波导2的端部清楚地形成相位光栅GP2的自身像SP2，把相位光栅GP2的光传输方向宽度L1设定成，相位光栅GP2对光赋予的相位差优选为170°～190°，更优选为180°。
设光的真空中的波长为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、折射率大的区域与折射率小的区域的相对折射率差为Δ＝δn/n。光从始端到终端通过折射率大的区域时相位进展的角度是L1÷（λ/n）×2π＝2πnL1/λ。光从始端到终端通过折射率小的区域时相位进展的角度是L1÷（λ/（n－δn））×2π＝2π（n－δn）L1/λ。相位光栅GP对光赋予的相位差是2πnL1/λ－2π（n－δn）L1/λ＝2πδnL1/λ＝2πnΔL1/λ。为了使相位光栅GP1对光赋予的相位差为90°，可以设定为L1＝λ/（4nΔ）。例如，λ＝1.55μm、n＝1.45、Δ＝0.75％时，为了使相位光栅GP1对光赋予的相位差为90°，可以设定为L1～35μm。为了使相位光栅GP2对光赋予的相位差为180°，可以设定为L1＝λ/（2nΔ）。例如，λ＝1.55μm、n＝1.45、Δ＝0.75％时，为了使相位光栅GP2对光赋予的相位差为180°，可以设定L1为约70μm。
为了在阵列波导2的端部清楚地形成相位光栅GP的自身像SP，基于图1～图4的说明，设定干涉区IF的光传输方向宽度L2。
设光的真空中的波长为λ、干涉区IF的折射率为与上述的折射率大的区域的折射率相等的n、光的干涉区IF中的波长为λ/n。如果基于图1的说明，则对于相位光栅GP1，作为最佳的设计，设定为L2＝md2/（2（λ/n））。例如，d＝10.0μm、λ＝1.55μm、n＝1.45时，如果设m＝1，则作为最佳的设计，设定L2为约47μm。如果基于图2的说明，则对于相位光栅GP2，作为最佳的设计，设定为L2＝md2/（8（λ/n））。例如，d＝20.0μm、λ＝1.55μm、n＝1.45时，如果设m＝1，则作为最佳的设计，设定L2为约47μm。如果基于图3的说明，则通过进一步考虑光的扩散问题，输出塔尔博特效应的计算结果，作为最佳的设计设定L2。
基于图1～图4的说明，设定干涉区IF的光传输方向宽度L2之后，基于图1～图4的说明，设定干涉区IF的终端中的相位光栅GP的自身像SP的亮干涉部分，作为阵列波导2的端部的位置。在此，希望不仅在多个阵列波导2的端部中的、中央的阵列波导2的端部，而且在两端的阵列波导2的端部也清楚地形成相位光栅GP的自身像SP。于是，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7示出的位置关系。即，相位光栅GP的折射率大的区域的个数优选为比阵列波导2的条数多。
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的自身像SP或SA，希望减小m，减小干涉区IF的光传输方向宽度L2。衍射光栅GP或GA只要具有使光衍射的功能，可以具有任意的形状。像以上说明的那样，本发明无须增大光波导的规模，不会增加设计难度。不采用本发明时，平板波导1与阵列波导2之间的损失为0.45dB左右，但以上述那样的设计方法采用本发明时，可以降低到0.1dB以下。
（实施方式3）
在实施方式3中，说明折射率变化区的效果和结构。在图6和图7示出的光波导中，衍射光栅GP或GA的结构和位置，针对特定的设计波长被优化，但针对其它波长不被优化。因此，损失对波长有依存性。于是，为了降低损失的波长依存性，在图8-图10示出的光波导中，在平板波导1和阵列波导2之间形成折射率变化区DV。
图8是示出折射率变化区的作用效果的图。光波导由平板波导1、阵列波导2、干涉区IF和折射率变化区DV构成。平板波导1由入射区IN和衍射光栅GP或GA构成。入射区IN和衍射光栅GP或GA，与图8示出的光波导和图6和图7示出的光波导基本相同。干涉区IF和折射率变化区DV在平板波导1和阵列波导2之间形成。在图8中，干涉区IF配置在平板波导1侧，折射率变化区DV配置在阵列波导2侧。但是，也可以将干涉区IF配置在阵列波导2侧，将折射率变化区DV配置在平板波导1侧。而且，也可以分别分割干涉区IF和折射率变化区DV，在与光传输方向基本上平行的方向上交互配置。在折射率变化区DV中，与光传输方向基本上垂直的方向的折射率分布中的折射率的平均值，从平板波导1侧朝阵列波导2侧平均地增大。而且，与光传输方向基本上平行的方向的折射率分布中的折射率的平均值，在阵列波导2的中心轴处增大。
在图8示出的折射率变化区DV中，用斜线示出的锥形形状的区域的折射率比用白底示出的锥形形状的区域的折射率高。用斜线和白底示出的锥形形状的区域形状大致相同，在与光传输方向基本上垂直的方向上交互配置。
用斜线示出的锥形形状的区域的与光传输方向基本上垂直的方向的宽度，从平板波导1侧朝阵列波导2侧变宽。用白底示出的锥形形状的区域的与光传输方向基本上垂直的方向的宽度，从平板波导1侧朝阵列波导2侧变窄。即，与光传输方向基本上垂直的方向的折射率分布中的折射率的平均值，从平板波导1侧朝阵列波导2侧增大。
用斜线示出的锥形形状的区域，宽度宽的一侧在与光传输方向基本上平行的方向上与阵列波导2相面对，宽度窄的一侧在与光传输方向基本上平行的方向上与干涉区IF相面对。用白底示出的锥形形状的区域，宽度宽的一侧在与光传输方向基本上平行的方向上与干涉区IF相面对，宽度窄的一侧在与光传输方向基本上平行的方向上与在与光传输方向基本上垂直的方向上相邻的阵列波导2之间相面对。即，与光传输方向基本上平行的方向的折射率分布中的折射率的平均值，从在与光传输方向基本上垂直的方向上相邻的阵列波导2之间，随着靠近阵列波导2的中心轴而增大。
在图8（a）中，示意性地示出衍射光栅GP或GA和干涉区IF的结构和位置被优化的特定的设计波长的衍射光的强度分布。来自干涉区IF的出射光局部分布在阵列波导2的延长线上，但在衍射光沿折射率变化区DV传输期间，与光传输方向基本上垂直的方向的光传输模式宽度扩展到阵列波导2的整个宽度，成为阵列波导1的传输模式。
在图8（b）中，示意性地示出从衍射光栅GP或GA和干涉区IF的结构和位置被优化的特定的设计波长偏离了的波长的衍射光的强度分布。来自干涉区IF的出射光大致局部分布在阵列波导2的延长线上，但在相邻的阵列波导2之间的延长线上也存在弱的峰。与图8（a）同样地，阵列波导2的延长线上的峰，在沿折射率变化区DV传输期间，扩展到阵列波导2的整个宽度，成为阵列波导2的传输模式，但与此相伴，相邻的阵列波导2之间的延长线上的弱峰也与阵列波导2的延长线上的峰结合，成为阵列波导2的传输模式，降低损失的波长依存性。
图8示出的折射率变化区DV具有由具有高折射率的区域和具有低折射率的区域构成的不连续的折射率分布。在此，更一般的折射率变化区DV也可以具有连续的折射率分布。即，在更一般的折射率变化区DV中，也可以在与光传输方向基本上平行的方向上从平板波导1侧朝阵列波导2侧折射率连续地增大，在与光传输方向基本上垂直的方向上朝阵列波导2的中心轴折射率连续地增大。
也可以设计成干涉区IF的一部分或全部包含在折射率变化区DV中。图9和图10是示出折射率变化区的结构的各种方式例的图。在此，在图9和图10中，折射率变化区DV中的沿与光传输方向基本上垂直的方向延伸的高折射率区（斜线）和低折射率区（白底）与干涉区IF的一部分相当。而且，在图8中，由于折射率变化区DV中也产生干涉，所以也可以省略折射率一定的干涉区IF地设计。图9（a）～（d）和图10（b）是，在与光传输方向基本平行的方向上朝着阵列波导2时，局部地有从折射率高的区域进入折射率低的区域的地方，但平均地看，是折射率增大的构成。
在图9（a）示出的折射率变化区DV中，图8示出的用白底示出的锥形形状的低折射率区，被具有与高折射率区相同的折射率且沿与光传输方向基本上垂直的方向延伸的分割区分割，分割区与干涉区IF的一部分相当。
在图9（b）示出的折射率变化区DV中，图8示出的用斜线示出的锥形形状的高折射率区，被具有与低折射率区相同的折射率且沿与光传输方向基本上垂直的方向延伸的分割区分割，分割区与干涉区IF的一部分相当。
图9（c）示出的折射率变化区DV的构成同时具有图9（a）和图9（b）示出的折射率变化区DV的构成。即，用白底示出的锥形形状的低折射率区被高折射率区分割，用斜线示出的锥形形状的高折射率区被低折射率区分割。而且，分割用白底示出的锥形形状的低折射率区的高折射率区、和分割用斜线示出的锥形形状的高折射率区的低折射率区，与干涉区IF的一部分相当。
在图9（d）示出的折射率变化区DV中，在与光传输方向基本上平行的方向上分别交互配置多个交互配置区AP和垂直延伸区VS。交互配置区AP，在与光传输方向基本上垂直的方向上交互配置用斜线示出的大致矩形形状的高折射率区和用白底示出的大致矩形形状的低折射率区。垂直延伸区VS，沿与光传输方向基本上垂直的方向延伸，具有与用斜线示出的大致矩形形状的高折射率区相同的折射率。在多个交互配置区AP中，越靠近阵列波导2侧的交互配置区AP，与光传输方向基本上平行的方向的宽度越窄；在多个垂直延伸区VS中，越靠近阵列波导2侧的垂直延伸区VS，与光传输方向基本上平行的方向的宽度越宽。
在此，交互配置区AP的宽度和垂直延伸区VS的宽度不限于图9（d）示出的方式。即，即使在交互配置区AP的宽度恒定或朝阵列波导2变宽时，通过使垂直延伸区VS的宽度朝阵列波导2变宽，使折射率朝阵列波导2侧平均地增大即可。或者，即使在垂直延伸区VS的宽度恒定或朝阵列波导2变窄时，通过使交互配置区AP的宽度朝阵列波导2变窄，使折射率朝阵列波导2侧平均地增大即可。
在图10（a）示出的折射率变化区DV中，图8示出的用白底示出的锥形形状的低折射率区，构成在与光传输方向基本上平行的方向上被分割的两个平行分割区。在与光传输方向基本上垂直的方向上留有间隔地配置两个平行分割区。在两个平行分割区之间配置具有与用斜线示出的锥形形状的高折射率区相同的折射率的平行分割间区。
在图10（b）示出的折射率变化区DV中，图9（d）示出的用白底示出的大致矩形形状的低折射率区，构成在与光传输方向基本上平行的方向上被分割的两个平行分割区。在与光传输方向基本上垂直的方向上留有间隔地配置两个平行分割区。在两个平行分割区之间配置具有与用斜线示出的大致矩形形状的高折射率区相同的折射率的平行分割间区。
图11是示出插入损失的计算结果和实验结果的图。图11中的光波导具有图6（a）和图6（b）示出的相位光栅GP1、干涉区IF和图9（b）示出的折射率变化区DV。但是，在此，相位光栅GP1对入射光赋予的相位差为π/4。在折射率变化区DV中，用斜线示出的锥形形状的折射率高的区域中，宽度宽的一侧的与光传输方向基本上垂直的方向的宽度为7.0μm，宽度窄的一侧的与光传输方向基本上垂直的方向的宽度为5.0μm。而且，用白底示出的折射率低的每一个垂直分割区中与光传输方向基本上平行的方向的宽度都为3.0μm，用斜线示出的折射率高的每一个垂直分割区中与光传输方向基本上平行的方向的宽度都为4.5μm。另外，干涉区IF和折射率变化区DV的光传输方向宽度分别为47μm。
在图11（a）示出的插入损失的计算结果中，中央的阵列波导2的输出信道编号为0，两端的阵列波导2的输出信道编号为±40，分别用横轴和纵轴表示输出信道编号和插入损失。在图11（b）和图11（c）示出的插入损失的实验结果中，中央的阵列波导2的输出信道编号为0，两端的阵列波导2的输出信道编号为±20，分别用横轴和纵轴表示输出信道编号和插入损失。
在图11（a）示出的插入损失的计算结果中，虚线表示不形成衍射光栅GP或GA且也不形成折射率变化区DV的现有技术的计算结果，单点划线表示形成衍射光栅GP或GA但是不形成折射率变化区DV的比较例的计算结果，实线表示形成衍射光栅GP或GA且还形成折射率变化区DV的本发明的计算结果。图11（b）和图11（c）分别是比较例和本发明的插入损失的实验结果。
像从插入损失的计算结果和实验结果确认的那样，与现有技术和比较例相比，本发明可以在中央的阵列波导2的周围降低插入损失，并且可以使插入损失与阵列波导2的形成位置不相关地均匀分布。
（实施方式4）
在实施方式4中说明光波导的制造方法。作为图6-图10示出的光波导的制造方法，可举出利用光刻和蚀刻的方法和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，在Si衬底上通过火焰直接堆积法堆积成为下部包层的SiO2微粒和成为芯层的SiO2-GeO2微粒，通过加热使其熔融透明化。然后，通过光刻和蚀刻，除去芯层的不需要的部分，形成光电路图案，同时在成为低折射率区的部分也除去芯层的不需要的部分。最后，通过火焰直接堆积法堆积成为上部包层的SiO2微粒，通过加热使其熔融透明化，一旦形成上部包层，在成为低折射率区的部分填充包层材料。
另外，蚀刻时不能完全除去芯，利用蚀刻速度的面积依存性，通过使图8-图10的折射率变化区DV中的低折射率区（白底）中的残存的芯的高度朝阵列波导2侧增大，也可以使折射率的平均值朝阵列波导2侧增大。
在上述中，在平板波导1和阵列波导2的形成工程中形成低折射率区，但也可以在形成平板波导1和阵列波导2之后，对成为低折射率区的部分进行沟加工，填充与芯层折射率不同的树脂等，也可以只进行沟加工，通过空气层形成低折射率区。
在利用紫外线照射的方法中，利用通过紫外线照射使折射率上升这一点。形成下部包层和芯层之后，或者，形成下部包层、芯层和上部包层之后，在成为低折射率区的部分上形成掩模材料，通过紫外线照射改变除成为低折射率区的部分以外的部分的折射率，由此形成低折射率区。
干涉区IF只要具有使光干涉的功能，则可以具有任意的材料。例如，干涉区IF也可以包括：芯材料、包层材料、照射了紫外线的SiO2-GeO2、树脂和空气等中的至少一种材料。
在取代相位光栅GP而形成振幅光栅GA时，向成为图6-图10的用白底示出的区域的部分填充光吸收优良的遮光材料。作为遮光材料，使用混合了炭黑、金属微粒的硅树脂、环氧树脂等。
（实施方式5）
在实施方式5中，说明包括实施方式1～4中说明的光波导的阵列波导衍射光栅。在阵列波导衍射光栅中，依此连接一条以上的第一输入输出波导、第一平板波导、多个阵列波导、第二平板波导和一条以上的第二输入输出波导。第一平板波导和多个阵列波导分别为平板波导1和阵列波导2，构成实施方式1～4中说明的光波导。
第一平板波导中传输多个波长的光，但作为图1和图2中的λ，选择多个波长中的任意的波长。该任意的波长是例如多个波长中的中心的波长等。在该任意的波长下，适用实施方式2和实施方式3中说明的设计方法以及实施方式4中说明的制造方法。
衍射光栅，不仅可以配置在第一平板波导上，也可以配置在第二平板波导上。另外，衍射光栅，也可以只配置在第一平板波导上，在第二平板波导上配置专利文献1～4的过渡区域或专利文献5的倾斜部。
产业上的可利用性
根据本发明的光波导和阵列波导衍射光栅，可以在利用波分复用方式的光的损失低的光纤通信中利用。

Claims (11)

1.一种光波导，其特征在于包括：
形成了衍射光栅的平板波导；
阵列波导，连接在形成上述衍射光栅的自身像的亮干涉部分的位置；以及
折射率变化区，在上述平板波导和上述阵列波导之间形成，与光传输方向基本上垂直的方向的折射率分布中的折射率的平均值从上述平板波导侧朝上述阵列波导侧平均地增大，与光传输方向基本上平行的方向的折射率分布中的折射率的平均值在上述阵列波导的中心轴处增大。
2.如权利要求1所述的光波导，其特征在于：
上述折射率变化区形成在上述平板波导和上述阵列波导之间的一部分上。
3.如权利要求1所述的光波导，其特征在于：
上述折射率变化区包括：
高折射率区，具有与光传输方向基本上垂直的方向的宽度从上述平板波导侧朝上述阵列波导侧变宽的锥形形状，锥形形状的宽度宽的一侧在与光传输方向基本上平行的方向上与上述阵列波导相面对，锥形形状的宽度窄的一侧在与光传输方向基本上平行的方向上与上述平板波导相面对；以及
低折射率区，具有比上述高折射率区低的折射率，具有与光传输方向基本上垂直的方向的宽度从上述平板波导侧朝上述阵列波导侧变窄的锥形形状，锥形形状的宽度宽的一侧在与光传输方向基本上平行的方向上与上述平板波导相面对，锥形形状的宽度窄的一侧在与光传输方向基本上平行的方向上与在与光传输方向基本上垂直的方向上相邻的上述阵列波导之间相面对。
4.如权利要求3所述的光波导，其特征在于：
上述低折射率区被具有与上述高折射率区相同的折射率且沿与光传输方向基本上垂直的方向延伸的区域分割，或者，上述高折射率区被具有与上述低折射率区相同的折射率且沿与光传输方向基本上垂直的方向延伸的区域分割。
5.如权利要求1所述的光波导，其特征在于：
上述折射率变化区在与光传输方向基本上平行的方向上分别交互配置多个交互配置区和垂直延伸区，
该交互配置区在与光传输方向基本上垂直的方向上交互配置高折射率区和具有比上述高折射率区低的折射率的低折射率区，
该垂直延伸区沿与光传输方向基本上垂直的方向延伸，具有与上述高折射率区相同的折射率，
多个上述交互配置区中，越靠近上述阵列波导侧的交互配置区，与光传输方向基本上平行的方向的宽度越窄，或者，多个上述垂直延伸区中，越靠近上述阵列波导侧的垂直延伸区，与光传输方向基本上平行的方向的宽度越宽。
6.如权利要求3所述的光波导，其特征在于：
上述低折射率区构成在与光传输方向基本上平行的方向上被分割的两个平行分割区，
在与光传输方向基本上垂直的方向上留有间隔地配置上述两个平行分割区，
在上述两个平行分割区之间配置具有与上述高折射率区相同的折射率的平行分割间区。
7.如权利要求1所述的光波导，其特征在于：
上述衍射光栅为相位光栅。
8.如权利要求7所述的光波导，其特征在于：
上述相位光栅对入射光赋予的相位差为大致90度。
9.如权利要求7所述的光波导，其特征在于：
上述相位光栅对入射光赋予的相位差为大致180度。
10.如权利要求5所述的光波导，其特征在于：
上述低折射率区构成在与光传输方向基本上平行的方向上被分割的两个平行分割区，
在与光传输方向基本上垂直的方向上留有间隔地配置上述两个平行分割区，
在上述两个平行分割区之间配置具有与上述高折射率区相同的折射率的平行分割间区。
11.一种阵列波导衍射光栅，其特征在于包括：
一条以上的第一输入输出波导；
权利要求1～10中任一项所述的光波导，上述平板波导的与上述阵列波导相反侧的端部连接到上述第一输入输出波导的端部；
第二平板波导，连接到上述阵列波导的与上述平板波导相反侧的端部；以及
一条以上的第二输入输出波导，连接到上述第二平板波导的与上述阵列波导相反侧的端部。
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