JP2000329954A - アレイ導波路格子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型かつ低い隣接チャネルクロストークを実
現できるアレイ導波路格子を実現する。 【解決手段】 入力導波路１、入力側スラブ導波路２、
アレイ導波路３、出力側スラブ導波路４、出力側導波路
５とによって構成されるアレイ導波路格子において、入
力導波路１、及び出力導波路５の近傍にそれぞれダミー
導波路１０及び１１を配置し、スラブ導波路入力部及び
出力部の入力導波路、出力導波路との接続部における界
分布の適正化を行い、小型かつ低い隣接チャネルクロス
トークを実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アレイ導波路格子
（ＡＷＧ）に関する。アレイ導波路格子は、高密度波長
多重光ファイバ通信システムに用いられる波長多重器
（ＭＵＸ）、波長復号器（ＤＥＭＵＸ）、アッドドロッ
プマックス（ＡＤＭ）フィルタの基幹部品として重要で
あり、また光波長に応じて経路を切り替える光波長ルー
ティングデバイスとしての応用も検討されており、内外
で盛んに研究開発が行われている。

【０００２】アレイ導波路格子は、多入力多出力型のフ
ィルタデバイスであり、光波長多重された信号をある入
力端に導入した場合、各出力端に多重化された信号を分
離する機能を有し、またその逆の動作を行わせる事が可
能である。特に石英導波路を用いて構成した場合、光フ
ァイバとの光結合効率が優れ、デバイス挿入損失が低い
ため、光ファイバ通信システムにとって重要である。

【０００３】

【従来の技術】図８は、従来のアレイ導波路格子の全体
図を示しており、１９９６年電子情報学会エレクトロニ
クスソサイエティ大会講演論文集１、Ｃ−３、ｐ１６２
に開示されているものである。

【０００４】このアレイ導波路格子は、１本または複数
本の入力導波路１と、該入力導波路１の端部が取り付け
られた入力側スラブ導波路２と、該入力側スラブ導波路
２の反対端に取り付けられた多数の導波路よりなるアレ
イ導波路３と、該アレイ導波路３の他端に取り付けられ
た出力側スラブ導波路４と、該スラブ導波路４の他端に
取り付けられた複数本の出力導波路５よりなっている。

【０００５】入力導波路１より入射した光信号は入力側
スラブ導波路２に入射する。入力側スラブ導波路２を伝
播した光信号は多数の導波路によりなるアレイ導波路３
に到達し、パワー分配される。

【０００６】アレイ導波路３の入力端と、入力導波路１
の出力端はそれぞれ円周上に配置されており、アレイ導
波路３の入力端が配置される円周の半径は入力導波路１
の出力端が配置される円周の半径の２倍であり、アレイ
導波路３の入力端が配置される円周の中心は入力導波路
１の出力端が配置される円周上に配置されている。アレ
イ導波路３でそれぞれの導波路は等間隔の位相差を付与
するように調整されており、該アレイ導波路３の他端に
は出力側スラブ導波路４が配置されている。

【０００７】アレイ導波路３、出力側スラブ導波路４、
出力導波路５の配置は入力側と同様にアレイ導波路３の
出力端、出力導波路５の入力端はそれぞれ円周上に配置
されており、アレイ導波路３の出力端が配置される円周
の半径は出力導波路５の入力端が配置される円周の半径
の２倍であり、アレイ導波路３の出力端が配置される円
周の中心は出力導波路５の入力端が配置される円周上に
配置されている。

【０００８】光信号が入力導波路１から入力する時、入
力側スラブ導波路２へ入射した電界分布１４の光は、回
折により入力側スラブ導波路２内を広がりながら伝播す
る。この時、隣接する導波路が十分遠いためにモードの
結合が生じず、電界分布１４は、導波路の基底モードの
電界分布と同一となる。該信号がアレイ導波路３の入力
部へ到達し、アレイ導波路３内の各導波路へ同位相でパ
ワーが分配される。

【０００９】アレイ導波路３内の各導波路を互いに等間
隔の位相差を付与されて伝播した光はアレイ導波路３の
出力部へ到達するが、波長分散があるため波長により等
位相面が傾く。この結果、出力側スラブ導波路４を伝播
した後に光が集光される位置は波長毎に異なるため、任
意の位置に出力導波路５を配置する事によって出力導波
路５の各導波路に任意の波長を取り出す事ができる。

【００１０】出力側スラブ導波路４の出力部の電界分布
は電界分布１５のようになるが、これは入力側スラブ導
波路の入力部の電界分布１４、すなわち導波路の基底モ
ードと同一形状となり、各出力導波路へと互いに結合が
なく伝播していく。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来のアレイ導波路格
子においては、入力導波路１から入力側スラブ導波路２
に接続される部分及び出力側スラブ導波路４から出力導
波路５に接続される部分において、導波路間隔が近接し
てくると隣接導波路間で光結合が生ずるので、上記で説
明した通りその近接距離として隣接導波路へ光結合が生
じないように設計されている。

【００１２】スラブ導波路と入力・出力導波路との接続
部における近接されて配置した導波路の間隔をｄ１、ス
ラブ導波路とアレイ導波路との接続部における近接され
て配置した導波路の間隔をｄ２、スラブ導波路の焦点距
離をｆとすると、 （ｄ１×ｄ２）／ｆ＝一定 という関係がなりたつように設計されるが、この式によ
ると、隣接導波路の光結合を低減させるためにｄ１をあ
る程度以上大きくすると、ｆもそれに伴い大きくせざる
を得ず、またｆが大きくなるに伴い、入力導波路から回
折していく光の電界分布が広がっていくため、必要なア
レイの本数が増大し、アレイ導波路格子のサイズを大き
くする原因となっていた。

【００１３】このように、従来の技術ではスラブ導波路
の近傍における光結合を避けるためにデバイスのサイズ
を小さくする事は困難であった。

【００１４】本発明の目的は、スラブ導波路近傍におけ
る入力導波路及び出力導波路での光結合が発生してもク
ロストークレベルの劣化等の性能劣化が生じず、高性能
かつ小型なアレイ導波路格子を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、スラブ導波路
の近傍の入力導波路及び出力導波路を、光結合が発生す
る距離で配置させ、かつ所要のチャネル数に対応する入
力導波路及び出力導波路の周りにダミー導波路を配置し
たことを特徴とする。このような構成とする事により、
すべてのチャネルでクロストークレベルの劣化の等の現
象が発生しない小型なアレイ導波路格子を提供する事が
できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施の形
態によるアレイ導波路格子の全体図、図２は、第１の実
施の形態によるアレイ導波路格子の導波路断面図、図３
は、第１の実施の形態によるアレイ導波路格子の動作説
明図である。

【００１７】図１を参照すると、アレイ導波路格子は、
入力導波路１、入力側ダミー導波路１０、該入力導波路
より信号光が入射される入力側スラブ導波路２、該入力
側スラブ導波路２の反対端に取り付けられた多数の導波
路よりなるアレイ導波路３、該アレイ導波路３の他端に
取り付けられた出力側スラブ導波路４、該出力側スラブ
導波路４の他端に取り付けられた複数本の出力導波路５
及び出力側ダミー導波路１１よりなっている。

【００１８】入力側ダミー導波路１０は、入力導波路１
の入力側スラブ導波路２への接続部の近傍に入力導波路
１と隣接し、互いに出力側スラブ導波路４出力部付近の
出力導波路５の導波路間隔と等しい間隔で２本以上配置
されている。また、出力側ダミー導波路１１は、出力側
スラブ導波路４出力部付近の出力導波路５の導波路間隔
で出力導波路５の最外部に隣接して２本以上配置され
る。

【００１９】ダミー導波路１０、１１は光結合が発生し
ている領域でのみ存在する必要があり、光結合が十分小
さくなる領域では存在しなくとも特性には影響しない。
入力側スラブ導波路２に入射する時の入力導波路１と隣
り合う入力側ダミー導波路１０との間隔は、お互いに光
結合が強くなるように配置される。

【００２０】その断面図を示す図２を参照すると、基板
６上に下層クラッド層７、下層クラッド層７より屈折率
が高く調整してあるコア８、該コア８より屈折率が低く
調整してある上層クラッド層９により光導波路が形成さ
れている。

【００２１】次に、図３を参照して本発明のアレイ導波
路格子の動作について説明する。入力導波路１に光信号
を入力すると、入力側スラブ導波路２に近づくにしたが
って入力導波路１とダミー導波路１０間の導波路間隔が
狭まってくるので、入力側スラブ導波路２へ到達した時
には界分布１２のように隣接した導波路の方向へ界分布
がしみ出す。

【００２２】この信号光は、回折により入力側スラブ導
波路２を伝播し、アレイ導波路部３を構成する各導波路
に等しい位相でパワー分配されて互いに等間隔の位相差
を付与された後に出力側スラブ導波路４の入力部へ到達
するが、アレイ導波路部３で等間隔の位相差を付与され
ている為に、出力側スラブ導波路４の入力部での界分布
１３は入力側スラブ導波路２の出力部の界分布１２と相
似形となる。

【００２３】出力側スラブ導波路４の出力光は出力導波
路５へ結合していくが、出力導波路５は入力導波路１と
同様に対称に隣接導波路が配置されているため、入力時
に光が結合した過程の逆過程が生じるため、出力導波路
５の出力部に到達するまでに入力導波路で行われたパワ
ー移行過程を逆行するように伝播し、最終的には望む出
力導波路のみに光パワーが集約される。

【００２４】図４は、本発明によって得られた８チャネ
ルのアレイ導波路格子のスペクトル透過特性を示してい
る。

【００２５】一方、出力側ダミー導波路１１が存在しな
い場合には、出力導波路５の内の最外側の導波路におい
て出力される導波路は、入力した導波路と同様な対称な
隣接導波路が配置されていないために、該導波路に望ま
れる信号光が隣接導波路へ結合し、逆側の隣接した導波
路が存在しない場所に対応する信号光からの結合が生
じ、透過スペクトル特性に異常が発生する。

【００２６】図５は、このようなスペクトル異常が生じ
たアレイ導波路格子の透過スペクトル特性を示してお
り、図４と比較して最短波長側、最長波長側の透過スペ
クトルに異常が生じている事が観測される。

【００２７】また、入力側ダミー導波路１０が存在しな
い場合には、入力側スラブ導波路２入力部と同じ界分布
が出力側スラブ導波路４出力部に現れるため、出力導波
路５の出力側へ伝播する際の各導波路間のモードの結合
により不所望のパワー移行が発生し、全出力端において
クロストークの劣化が生じる。

【００２８】図６は、このようなスペクトル劣化を生じ
たアレイ導波路格子の透過スペクトル特性を示してお
り、図４と比較して全出力端においてクロストークの劣
化が生じている事が観測される。

【００２９】このように、入力側ダミー導波路１０及び
出力側ダミー導波路１１を付加する事により、各導波路
間が近接配置されて光結合が強い場合であっても性能劣
化が生じず、その結果、高性能かつ小型なアレイ導波路
格子が得られる。このようにして強い光結合が入力導波
路１及び出力導波路５部のスラブ導波路近傍で生じたと
してもダミー導波路部１０，１１の効果で全ポートとも
低いクロストークレベルのアレイ導波路格子が得られ
る。

【００３０】また、強い光結合が生じる距離まで導波路
を近接できるので、例えば、スラブ導波路の長さを従来
の２分の１にし、アレイの必要本数も減少させる事がで
き、結合がない場合に１８平方センチメートルの面積が
必要だったデバイスサイズが１０平方センチメートルへ
と大幅な小型化が達成可能となった。

【００３１】図２に示す導波路の基板６の材料として
は、シリコン、ガラス基板、セラミック基板等のような
基板が一般的に用いられるが、コストが低く、容易に異
方性エッチングによるファイバガイドが形成でき、電気
回路のハイブリッド化に適しているシリコン基板が好適
である。

【００３２】また、前記コア８およびクラッド層７、９
の材料としては、リン、ゲルマニウム、チタン、ボロ
ン、フッ素等を石英中に添加した材料を用いることがで
き、光の通るコア８の部分をクラッド７、９の部分より
も高い屈折率となるように調整する。前記コア層８及び
クラッド層７．９の成膜方法としては常圧ＣＶＤ法、プ
ラズマＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法、火炎堆積法、スパッタ
法、スピンコート法、電子ビーム蒸着法等が用いられ
る。

【００３３】コア８を形成するためには、基板６に下層
クラッド層７、コア層８を成膜した後にフォトリソグラ
フィーを用いて領域をコア層８に転写し、反応性イオン
エッチング（ＲＩＥ）装置や反応性イオンビームエッチ
ング（ＲＩＢＥ）装置等を用いるドライエッチング法に
よりコア層８をエッチングする。電子ビームやレーザー
直描によってもアレイ導波路格子のパターンを形成する
事ができる。最後に上層クラッド層９を成膜する事によ
り、埋め込み型導波路によるアレイ導波路格子が得られ
る。

【００３４】本発明の実施例としては、クラッド屈折率
が１．４５のガラス膜を用い、比屈折率差０．７％、コ
アサイズ５ミクロン角の導波路を用いてシリコン基板上
にアレイ導波路格子を作製した。ダミー導波路は入力
部、出力部ともに４本であり、導波路の近接距離は４ミ
クロンであった。

【００３５】なお、本方式によるアレイ導波路格子を構
成する材料は、石英系材料に限定されるものではなく、
例えば、有機材料、ニオブ酸リチウム等の強誘電体、化
合物半導体等により構成されるアレイ導波路についても
まったく同様に適用可能である。

【００３６】図７は、本発明の第２の実施の形態による
アレイ導波路格子の全体図であり、入力導波路１も複数
本としてアレイ導波路格子を構成したものである。この
ように複数の入力導波路１をもつアレイ導波路格子にお
いても、入力導波路１及び出力導波路５に隣接して入力
側ダミー導波路１０、出力側ダミー導波路１１を配置す
る事により、同様に光結合が強い場合であっても性能劣
化が生じず、その結果高性能かつ小型なアレイ導波路格
子を得ることができる。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、従来のアレイ導波路格
子よりも小型かつ低クロストークなアレイ導波路格子を
得る事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態によるアレイ導波路
格子の全体図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態によるアレイ導波路
格子の断面図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態によるアレイ導波路
格子の特性図である。

【図４】本発明の第１の実施の形態によるアレイ導波路
格子の特性図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態によるアレイ導波路
格子の特性比較図である。

【図６】本発明の第１の実施の形態によるアレイ導波路
格子の特性比較図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態によるアレイ導波路
格子の全体図である。

【図８】従来のアレイ導波路格子の全体図である。

【符号の説明】

１ 入力導波路 ２ 入力側スラブ導波路 ３ アレイ導波路 ４ 出力側スラブ導波路 ５ 出力導波路 ６ 基板 ７ 下層クラッド層 ８ コア ９ 上層クラッド層 １０ 入力側ダミー導波路 １１ 出力側ダミー導波路 １２，１３，１４，１５ 界分布

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力導波路と、該入力導波路より入射し
   た光信号を伝播する入力側スラブ導波路と、該入力側ス
   ラブ導波路の反対端に取り付けられた複数の導波路より
   なるアレイ導波路部と、該アレイ導波路部の他端に取り
   付けられた出力側スラブ導波路と、該スラブ導波路の他
   端に取り付けられた任意の数の出力導波路からなる出力
   導波路部からなるアレイ導波路格子において、 前記入力導波路の入力側スラブ導波路への接続部の両側
   近傍に１乃至複数本の入力側ダミー導波路を設け、前記
   出力導波路のスラブ導波路との接続部の両側近傍に１乃
   至複数本の出力側ダミー導波路を設けた事を特徴とする
   アレイ導波路格子。
2. 【請求項２】 前記入力側ダミー導波路及び出力側ダミ
   ー導波路は、それぞれ、前記出力側スラブ導波路の出力
   部に接する出力導波路の近接する導波路同士の間隔と同
   じ間隔で設けられていることを特徴とする請求項１記載
   のアレイ導波路格子。
3. 【請求項３】 前記入力側スラブ導波路に設けられた入
   力導波路は一つである事を特徴とする請求項１記載のア
   レイ導波路格子。
4. 【請求項４】 前記入力側スラブ導波路に設けられた入
   力導波路は複数である事を特徴とする請求項１記載のア
   レイ導波路格子。