JP2006126357A - アレイ導波路回折格子型波長合分波器 - Google Patents

Abstract

【課題】 スラブ導波路の収差や導波路アレイの位相誤差のために生じる、透過域における損失波長スペクトルの傾きを抑制したアレイ導波路回折格子型波長合分波器を提供する。
【解決手段】 入力チャネル導波路と入力スラブ導波路との接続部において入力チャネル導波路に入力コア幅調整部が具備され、および出力チャネル導波路と出力スラブ導波路との接続部において出力チャネル導波路に出力コア幅調整部が具備されたアレイ導波路回折格子型波長合分波器において、入力コア幅調整部と出力コア幅調整部の形状を、出力チャネル導波路からの損失波長スペクトルが平坦化するように調整し、および出力チャネル導波路のうち少なくとも１本が損失波長スペクトルの傾きを小さく抑えるように、導波路アレイと出力スラブ導波路との接続部の中央を臨む方向に対して傾斜させて配置する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、アレイ導波路回折格子型波長合分波器に関し、より詳細には、波長分割多重（ＷＤＭ）システムで使用されるアレイ導波路回折格子型波長合分波器に関する。

爆発的に増大するインターネットサービスへの需要を背景に、波長分割多重（ＷＤＭ）システムを用いて高速広帯域伝送が可能な光ネットワークの整備が急速に進められている。アレイ導波路回折格子型波長合分波器は、ＷＤＭシステムで使用される波長合分波器の中でも量産性や安定性に優れ、広く用いられている。このアレイ導波路回折格子型波長合分波器は、半導体の基板上に作製されるため他の光部品との集積化が可能であり、低コストで高機能な光集積回路の開発も行われている。

アレイ導波路回折格子型波長合分波器は、図９に示すように、少なくとも１本の入力チャネル導波路１１、入力スラブ導波路１２、複数のチャネル導波路からなる導波路アレイ１３、出力スラブ導波路１４、および複数の出力チャネル導波路１５が順次接続されて、基板１０の上に形成される。入力チャネル導波路１１は入力ポート２を通して外部の装置に接続され、複数の出力チャネル導波路１５は出力ポート３を通して外部の装置に接続される。導波路アレイ１３を構成する複数のチャネル導波路は、その隣接するチャネル導波路間の行路長差が一定値ΔＬだけ異なるように配置される。

図１０（Ａ）は、入力スラブ導波路１２付近を拡大して示す。入力チャネル導波路１１と入力スラブ導波路１２とは円弧Ａ１上で接続され、導波路アレイ１３と入力スラブ導波路１２とは円弧Ａ２上で接続される。

円弧Ａ２の形状は、少なくとも１本以上の入力チャネル導波路１１の中央から導波路アレイ１３の各チャネル導波路へ入射するすべての光が、等位相になるように決められる。そのため円弧Ａ２の中心Ｐ２は、円弧Ａ１上で少なくとも１本の入力チャネル導波路１１の中央に置かれる。そして導波路アレイ１３を構成する複数のチャネル導波路は、点Ｐ２を中心として放射状に配置される。

中央から離れて置かれた入力チャネル導波路１１から射出される光は、導波路アレイ１３における隣接する各チャネル導波路間において一定の位相差を有する必要がある。この条件を満たすために、導波路アレイ１３の各チャネル導波路は、円弧Ａ２上で等間隔に配置される。また同時に、入力チャネル導波路１１は、円弧Ａ２上で導波路アレイ１３の中央の点Ｐ１を中心として放射状に配置される。なお、円弧Ａ１の中心に関しては、中央点Ｐ１と一致する構成や２点Ｐ１、Ｐ２の中点にする構成（ローランド円）が知られている。２点Ｐ１、Ｐ２を結ぶ直線は入力スラブ導波路１２の実質的な中心軸を規定する。

なお、導波路アレイ１３を構成する複数のチャネル導波路に相互作用がある場合は、中央点Ｐ１は円弧Ａ２から所定の距離だけ離れて配置される（特許文献１参照）。点Ｐ２に関しても同様である。

また後述するように、損失波長スペクトルの透過域を拡大するために、入力スラブ導波路１２との接続部において、入力チャネル導波路１２にはモードフィールドを調整するための入力コア幅調整部１６が具備される。図１０（Ｂ）に入力コア幅調整部１６の形状と入力フィールドの振幅を示す。この従来例では、コア幅は２次関数的に拡大されたパラボラ形状であり、入力フィールドは二山の振幅分布をもつ（特許文献２参照）。

図１１は、出力スラブ導波路１４付近を拡大して示す。出力チャネル導波路１５と出力スラブ導波路１４とは円弧Ａ４上で接続され、導波路アレイ１３と出力スラブ導波路１４とは円弧Ａ３上で接続される。

円弧Ａ３の形状は、導波路アレイ１３の各チャネル導波路から等位相で射出される光が、複数の出力チャネル導波路１５の中央に集光するように決められる。そのため円弧Ａ３の中心Ｐ３は円弧Ａ４上で複数の出力チャネル導波路１５の中央に置かれる。そして導波路アレイ１３を構成する複数のチャネル導波路は点Ｐ３を中心として放射状に配置される。

後述するように光を分波するためには、導波路アレイ１３の各チャネル導波路から一定の位相差を有して射出される光は、その光の波長ごとに前記位相差に応じて円弧Ａ４上を中央から外れた位置に集光する必要がある。この条件を満たすために、導波路アレイ１３の複数のチャネル導波路は円弧Ａ３上で等間隔に配置される。また、複数の出力チャネル導波路１５は集光する光を効率良く受け取るために、円弧Ａ３上の導波路アレイ１３の中央の点Ｐ４を中心として放射状に配置される。円弧Ａ４の中心は、２点Ｐ３、Ｐ４の中点にする構成（ローランド円）が適正であるが、出力チャネル導波路１５の配置の簡便さから中央点Ｐ４と一致させる構成もある。２点Ｐ３、Ｐ４を結ぶ直線は出力スラブ導波路１４の実質的な中心軸を規定する。

入力側と同様に、導波路アレイ１３を構成する複数のチャネル導波路に相互作用がある場合は、中央点Ｐ４は円弧Ａ３から所定の距離だけ離れて配置される。点Ｐ３に関しても同様である。

また後述するように、損失波長スペクトルの透過域を拡大するために、出力スラブ導波路１５との接続部において、出力チャネル導波路１５にはモードフィールドを調整するため出力コア幅調整部１７が具備される。この従来例では直線的にコア幅が増大している。

次にこの従来例を参照しながら、一般的なアレイ導波路回折格子型波長合分波器の波長分波機能について説明する。

図９において、入力チャネル導波路１１からの複数の波長を有する光は、入力スラブ導波路１２において回折して広がり、導波路アレイ１３の各チャネル導波路に入射する。導波路アレイ１３の各チャネル導波路を伝搬した光は、行路長差ΔＬにより生じた波長ごとに異なる一定の位相差を有して出力スラブ導波路１４との境界の円弧Ａ２に達し、出力スラブ導波路１４に放射される。そして入射した光は波長ごとに干渉し、出力スラブ導波路１４において上記位相差に対応した方向へ波長ごとに集光する。

図１２は、出力スラブ導波路１４において波長λ５０の光が集光するようすを示す。導波路アレイ１３の各チャネル導波路から入射する光は、隣接するチャネル導波路間で波長λ５０に応じた一定の位相差を有し、出力スラブ導波路１４において互いに重なり合い、その位相差に応じて傾いた波面を形成して伝搬し、円弧Ａ４上の集光位置に結像する。集光する方向は、中央点Ｐ４を通る上記波面と垂直な方向である。

位相差が波長によって異なるため、集光位置も波長によって異なる。そこで所望の波長に対応する集光位置に出力チャネル導波路１５を配置することにより、各出力チャネル導波路に対応する出力ポートから所望の波長を取り出すことができる。図１２では出力ポート３１〜３５からそれぞれ波長λ１０〜λ５０の光を取り出すことができるように、各出力チャネル導波路１５が配置されている。

さらに、図１３（Ａ）と図１３（Ｂ）を参照しながら、集光位置の波長依存性と損失波長スペクトルの関係を説明する。

図１３（Ａ）は、わずかに異なる３つの波長λ３０、λ３１、λ３２（λ３１＜λ３０＜λ３２）の光が中央の出力ポート３３に対応する出力チャネル導波路１５付近に集光し、その集光フィールド分布が各波長に応じて移動する様子を示す。

図１３（Ｂ）の上段は図１０（Ｂ）に示す円弧Ａ１上Ａ−Ａ′での入力コア幅調整部１６の入力フィールド分布である。中段は図１３（Ａ）に示す円弧Ａ４上Ｂ−Ｂ′における、波長λ３０、λ３１、λ３２での集光フィールド分布と出力コア幅調整部１７の出力フィールド分布である。理想的には集光フィールド分布は入力フィールド分布と同じである。出力ポート３３からの透過パワーは、集光フィールド分布と出力フィールド分布との重なり積分に比例する。集光フィールド分布の位置が波長によって異なるため、フィールドの重なり積分も波長によって異なり、損失波長スペクトルは図１３（Ｂ）下段のようになる。

この従来例のように、入力コア幅調整部１６を２次関数的（パラボラ）形状にすることにより、入力フィールド分布は２つのピークを持ち、単一ピークの出力フィールドとの重なり積分の波長依存性がなだらかになる。その結果、損失波長スペクトルの底部（透過域）は平坦化される。なお、以後、特に断らない限り「損失波長スペクトル」とは「損失波長スペクトルの透過域」を意味するものとする。

なお、入力コア幅調整部１６の形状が形状を例えば３次、４次関数的に急激に拡大されるほど入力フィールド分布が矩形状になって、損失は増加するが損失波長スペクトルは一層広帯域になる。

このように損失波長スペクトルを平坦化すると、広い波長域で損失変動が小さくなり、光源の波長変化、波長合分波器自体の特性変化に対して寛容になる。したがって、多段の波長合分波器を通過して光信号を伝送するＷＤＭシステムにおいては、損失波長スペクトルにおける平坦性の良い波長合分波器を用いることが非常に重要になっている。

特開平６−２５００３０号公報 特開平９−２９７２２８号公報 特開平１１−３４４６２６号公報

しかしながら、作製誤差により生じる導波路アレイ１３における位相誤差や出力スラブ導波路１４の原理的な収差の影響で、透過域における損失波長スペクトルが傾き、光源の波長変化の許容を制限する場合がある。

たとえば、アレイ導波路回折格子型波長合分波器には出力スラブ導波路１４に原理的に収差があり、その収差は中央から離れるにつれて大きくなる（特許文献３参照）。

出力スラブ導波路１４の収差の影響を受ける場合の集光位置の波長依存性と損失波長スペクトルの関係を図１４（Ａ）、１４（Ｂ）を参照しながら説明する。

図１４（Ａ）は、わずかに異なる３つの波長λ５０、λ５１、λ５２（λ５１＜λ５０＜λ５２）の光が中央から離れた出力ポート３５に対応する出力チャネル導波路１５付近に集光し、収差の影響で集光フィールドが左右非対称となり、波面も平面ではなく３次関数的に歪む様子を示す。

図１４（Ｂ）の上段は、図１０（Ｂ）に示す円弧Ａ１上Ａ−Ａ′での入力コア幅調整部１６における入力フィールド分布を示す。中段は図１４（Ａ）に示す円弧Ａ４上Ｃ−Ｃ′間における、波長λ５０、λ５１、λ５２での集光フィールド分布と出力コア幅調整部１７における出力フィールド分布である。円弧Ａ４上の集光フィールド分布は、入力フィールドが歪んだ形となる。そのため図１４（Ｂ）下段に示す損失波長スペクトルは、左右対非対称の傾いた形状となる。

図１５は、図１２に示す円弧Ａ４上Ｄ−Ｄ′での異なる五つの波長λ１０〜λ５０の集光フィールド分布を示す。出力スラブ導波路１４の影響により、集光位置が中央から離れるほどフィールド分布が歪む。また、波面の歪みも大きくなる（図示せず）。

図１６（Ａ）は、従来のアレイ導波路回折格子型波長合分波器の各出力ポートにおける損失波長スペクトルを模式的に示す。出力スラブ導波路１４の収差のために透過域において損失波長スペクトルが傾き、中央の出力ポート３３においては平坦であるが、中央から離れるほど傾き具合が大きくなっている。

図１６（Ｂ）は、従来の方法により作製した分波間隔０．８ｎｍ、分波数２１のアレイ導波路回折格子型波長合分波器の各出力ポートにおける、透過中心波長での損失波長スペクトルの傾き値（つまり、損失傾き値）の分布を示す。中央の出力ポートにおいてほぼ０ｄＢ／ｎｍであるが、出力ポート番号に比例して変化し、両端の出力ポートにおいては±２ｄＢ／ｎｍの傾きとなった。

図１７（Ａ）は、さらに導波路アレイ１３における位相誤差が加わった場合の損失波長スペクトルを模式的に示す。この場合、中央の出力ポートにおいても損失波長スペクトルが傾く。そして、図１６（Ａ）の場合と同様に、傾き具合は出力ポートに応じて変化する。

図１７（Ｂ）は、従来の方法により作製した分波間隔０．８ｎｍ、分波数２１のアレイ導波路回折格子型波長合分波器の各出力ポートにおける透過中心波長での損失波長スペクトルの傾き値の分布を示す。導波路アレイ１３での位相誤差が加わったため中央の出力ポートにおいて約１ｄＢ／ｎｍの損失波長スペクトルの傾きがある。損失波長スペクトルの傾きは、出力ポート番号に比例して変化し、番号１の出力ポートにおいて約３ｄＢ／ｎｍとなった。

以上のように損失波長スペクトルが傾くと、光源の波長変化や波長合分波器の特性変化に対し敏感に損失が変わり、安定したＷＤＭシステム運用の障害となるという問題があった。

このような問題を解決するため、本発明の目的は、スラブ導波路の収差や導波路アレイの位相誤差のために生じる透過域における損失波長スペクトルの傾きを抑制したアレイ導波路回折格子型波長合分波器を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板上に形成された、少なくとも１本の入力チャネル導波路と、入力スラブ導波路と、複数のチャネル導波路からなる導波路アレイと、出力スラブ導波路と、複数の出力チャネル導波路とが順次接続されたアレイ導波路回折格子型波長合分波器において、前記入力チャネル導波路は、前記入力スラブ導波路との接続部に向かってコア幅が増大する入力コア幅調整部を有し、前記出力チャネル導波路は、前記出力スラブ導波路との接続部に向かってコア幅が増大する出力コア幅調整部を有し、前記出力チャネル導波路のうち少なくとも１本は、透過域での損失波長スペクトルの傾きを小さく抑えるように、前記導波路アレイと前記出力スラブ導波路との接続部の中央を臨む方向に対して傾斜して配置されることを特徴とする。

この構成によれば、平坦な損失波長スペクトルを持つアレイ導波路回折格子型波長合分波器において、出力スラブ導波路の原理的な収差により生じる損失波長スペクトルの傾きは、各出力チャネル導波路の傾斜によって小さく抑えられる。また、全出力ポートに一様に影響を及ぼす導波路アレイの予測可能な位相誤差による損失波長スペクトルの傾きも、出力チャネル導波路ごとに小さく抑えられる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のアレイ導波路回折格子型波長合分波器は、入力チャネル導波路の少なくとも１本は、導波路アレイと入力スラブ導波路との接続部の中央を臨む方向に対して傾斜して配置されることを特徴とする。

この構成によれば、導波路アレイの予測可能な位相誤差により全出力ポートに一様に生じる損失波長スペクトルの傾きは、入力チャネル導波路の傾斜によって小さく抑えることが可能となる。

請求項３に記載の発明は、基板上に形成された、複数の入力チャネル導波路と、入力スラブ導波路と、複数のチャネル導波路からなる導波路アレイと、出力スラブ導波路と、複数の出力チャネル導波路とが順次接続されたアレイ導波路回折格子型波長合分波器において、前記入力チャネル導波路は、前記入力スラブ導波路との接続部に向かってコア幅が増大する入力コア幅調整部を有し、前記出力チャネル導波路は、前記出力スラブ導波路との接続部に向かってコア幅が増大する出力コア幅調整部を有し、前記出力チャネル導波路のうち少なくとも１本は、透過域での損失波長スペクトルの傾きを小さく抑えるように、前記導波路アレイと前記出力スラブ導波路との接続部の中央を臨む方向に対して傾斜して配置され、および複数の前記入力チャネル導波路は、前記損失波長スペクトルの傾きを小さく抑えるように、前記導波路アレイと前記入力スラブ導波路との接続部の中央を臨む方向に対して各々異なる角度で傾斜して配置されることを特徴とする。

この構成によれば、平坦な損失波長スペクトルを持つアレイ導波路回折格子型波長合分波器において、出力スラブ導波路の原理的な収差で生じる損失波長スペクトルの傾きが各出力チャネル導波路の傾斜によって解消される。さらに、導波路アレイの予測不可能な位相誤差により全出力ポートに一様に生じる損失波長スペクトルの傾きは、各々異なる角度で傾斜して配置された複数の入力チャネル導波路から最適な一本を選択することによって小さく抑えることが可能となる。

本発明によれば、入力チャネル導波路と出力チャネル導波路に具備されたコア幅調整部が調整されて平坦な損失波長スペクトルを持つアレイ導波路回折格子型波長合分波器において、出力チャネル導波路が導波路アレイの中央を臨む方向に対して傾斜して配置されることにより、出力スラブ導波路の収差で生じる損失波長スペクトルの傾きを小さく抑えることができる。または、この出力チャネル導波路の傾斜角を一定値だけずらすことにより、導波路アレイの予測可能な位相誤差に起因する損失波長スペクトルの傾きが小さく抑えられ、もしくは、入力チャネル導波路が一定値だけ導波路アレイの中央を望む方向に対して傾斜させて配置することにより同様の効果が達成される。さらに、複数の入力チャネル導波路に異なる傾きを与え、適切な入力ポートを選定することにより、導波路アレイの予測不可能な位相誤差に起因する損失波長スペクトルの傾きを小さく抑えることができる。その結果、すべての出力ポートにおいて、光源の波長変化や波長合分波器の特性変化に対して透過光信号の強度が劣化しない波長合分波器が実現でき、ＷＤＭシステムの普及・経済化に大きく貢献すると期待される。

以下、図面を参照しながら本発明の波長合分波器の実施形態について詳細に説明する。

［実施形態１］
図１は、第１の実施形態にかかるアレイ導波路回折格子型波長合分波器を示す。基本構成は図９の従来例と同様であるが、出力チャネル導波路１５が図２（Ａ）の模式図のように傾斜して配置されることを特徴とする。ここでは中央の出力ポート３３以外の出力チャネル導波路１５が中央点Ｐ４を望む方向に対して傾けられる。この傾き具合は中央から離れるほど大きい。この実施形態はアレイ導波路１３の位相誤差が実質上無視できる場合に適応される。

出力スラブ導波路１４の収差は、円弧Ａ４の中央（点Ｐ３）で０となり、中央から離れるほど大きくなる。そこで出力ポート３ｉ（図２（Ａ）ではｉ＝１〜５）に対応する出力チャネル導波路１５の傾斜角Δθｉを中央から離れるほど大きくする。

図２（Ｂ）は、出力ポート３５での集光フィールドの様子を示す。集光フィールドは出力スラブ導波路１４の収差によって歪んだ振幅と波面を有する。また出力チャネル導波路１５が傾けられているため、出力コア幅調整部１７端の出力フィールドも傾き、両フィールドは、傾きに応じた位相差で相互作用する。そのため、傾斜角Δθ５は、両フィールドの重なり積分が波長変化に対して平坦化するように決定される。つまり、アレイ導波路回折格子型波長合分波器の各種導波路の形状により入力フィールド、出力フィールド、収差が決まり、これらと出力チャネル導波路１５の位置を用いて上記傾斜角Δθ５を決定することができる。他の出力ポートに関しても同様である。

出力ポート３ｉに対応する出力チャネル導波路１５が中央点Ｐ４を臨む方向と出力スラブ導波路１４の中心軸とがなす角度をθｉとおくと、近似的に傾斜角Δθｉは
Δθｉ＝α・θｉ （１）
で与えられる。係数αは入力フィールド、出力フィールド、収差の一般的な値より−１＜α＜１である。このような出力チャネル導波路１５の配置は、出力スラブ導波路１４の中心軸上に中央点Ｐ４と異なる位置に仮想中心Ｐ５を設置し、この仮想中心Ｐ５を臨む方向に配置することでも実現できる。

このように、出力チャネル導波路１５を、中央点Ｐ４を臨む方向に対して傾斜して配置することにより、各出力ポートの損失波長スペクトルは図３のように平坦化される。

次に本実施形態のアレイ導波路回折格子型波長合分波器の試作結果について説明する。基板１０上にはシリコンが用いられ、コアはゲルマニウムを混ぜた石英系ガラスで形成された。コアとクラッドの比屈折率差は０．７％でコアの高さは６μｍであった。チャネル導波路の基本的な幅は６μｍで、１ポートの入力チャネル導波路１１に入力コア幅調整部１６が具備され、幅２７μｍまで２次関数的に広げられた。分波間隔が０．８ｎｍとなるように２１ポートの出力チャネル導波路１５が配置され、それらに幅が直線的に１４μｍまで広げられた出力コア幅調整部１７が具備された。出力チャネル導波路１５の傾斜具合を決める係数αは０．５であった。２１個の各出力ポートでの損失波長スペクトルが測定された。図４は、透過中心波長での損失波長スペクトルの傾きを示す。従来例のアレイ導波路回折格子型波長合分波器を作製した場合、図１６（Ｂ）に示すように、両端の出力ポートで損失波長スペクトルの傾きが最も大きく±２ｄＢ／ｎｍであったが、本実施形態によれば、その損失傾きは、どのポートにおいても±０．５ｄＢ／ｎｍ以下と小さく抑えられた。

［実施形態２］
図５は、第２の実施形態にかかるアレイ導波路回折格子型波長合分波器を示す。本実施形態の基本構成は、図１の実施形態１と同様であるが、出力チャネル導波路１５が図５の模式図のように実施形態１と逆向きに傾けられたことを特徴とする。本実施形態は、集光フィールドの波面の歪み方が実施形態１とは逆向きになるような入力コア幅調整部１６が具備された場合のものである。この場合、出力チャネル導波路１５が臨む仮想中心Ｐ５は、出力スラブ導波路１４の外側に存在する。入力コア幅調整部１６については以下の試作結果で述べる。

本実施形態のアレイ導波路回折格子型波長合分波器の試作結果について説明する。基本的な構成と作製工程は、実施形態１と同様である。但し、実施形態１より広帯域な損失波長スペクトルを得るために、入力コア幅調整部１６は幅２７μｍまで３次関数的に広げられた。入力フィールドの波面が実施形態１の場合と異なり、出力スラブ導波路１４の収差による集光フィールドの波面の歪み方が実施形態１とは逆向きになった。そのため、出力チャネル導波路１５の傾斜具合を決める係数αは、−０．３であった。

２１個の各出力ポートでの損失波長スペクトルが測定された。透過中心波長での損失波長スペクトルの傾きは、図４と同様の分布を示し、±０．５ｄＢ／ｎｍの範囲内の値であった。

［実施形態３］
図６（Ａ）は、第３の実施形態にかかるアレイ導波路回折格子型波長合分波器を示す。本実施形態の基本構成は、図１の実施形態１と同様であるが、出力チャネル導波路１５が図６（Ａ）の模式図のように傾けられたことを特徴とする。出力スラブ導波路１４の収差と導波路アレイ１３の位相誤差が加わった場合の実施形態で、位相誤差と収差の影響を解消するように出力チャネル導波路１５が中央点Ｐ４を臨む方向に対して傾いて配置される。

図６（Ｂ）は、出力ポート３５の出力コア幅調整部１７付近の拡大図を示す。実施形態２と同様に、傾斜角Δθ５は、導波路アレイ１３の位相誤差および出力スラブ導波路１４の収差によって歪んだ振幅および波面を有する集光フィールドと、傾いた出力フィールドとの重なり積分が、波長変化に対して平坦化するように決定される。つまり、アレイ導波路回折格子型波長合分波器の各種導波路の形状により決まる入力フィールド、出力フィールドおよび収差、経験的に予測可能な位相誤差、および出力チャネル導波路１５の位置を用いて傾斜角を決定することができる。他の出力ポートに関しても同様である。

本実施形態では、傾斜角Δθｉは近似的に
Δθｉ＝α・（θｉ−θ０）（αは比例定数） （２）
で与えられる。係数αは式（１）とおなじである。角度θ０は、導波路アレイ１３の位相誤差と出力スラブ導波路１４の収差とが打ち消しあって、出力チャネル導波路１５を傾斜しなくても損失波長スペクトルが平坦となる角度（位置）である。導波路アレイ１３に位相誤差がある場合、出力チャネル導波路１５の配置は、出力スラブ導波路１４の中心線を通らない適切な位置に仮想中心Ｐ５を設置し、この仮想中心Ｐ５を臨む方向に配置することでも実現できる。

また、本実施形態では、出力コア幅調整部１７が、コア幅が拡大するコア幅拡大部およびその後一定の幅を保つコア幅延長部で構成された。接続点でのコア幅は、出力コア幅調整部１７でコア幅を拡大しながら出力スラブ導波路１４と接続すると、コアの中心線に対して左右非対称になる。一般に傾斜角Δθｉの絶対値は０．１rad 以下と小さいのでコア幅の非対称性は無視できるが、より厳密な結果を得るには、出力コア幅調整部１７は、本実施形態のように一定幅のコア幅延長部を介して、出力スラブ導波路１４に接続されるのが望ましい。

一般にアレイ導波路回折格子型波長合分波器を作製すると、コアの高さや幅が設計値と異なる作製誤差が生じる。この作製誤差は、作製のたびにランダムに変化するものもあれば、再現性良く生じるものもある。再現性のある作製誤差要因には、コア層を堆積する際またはコア層を加工して一定幅のチャネル導波路を形成する際の基板の配置および作製装置の癖などがある。このような作製誤差は、経験的に予測することができるので、角度θ０を特定することができる。

本実施形態のアレイ導波路回折格子型波長合分波器の試作結果について説明する。基本的な構成と作製工程は実施形態１と同様である。但し、本実施形態のアレイ導波路回折格子型波長合分波器を、図１７（Ｂ）に示す損失波長スペクトルの傾きを有する従来のアレイ導波路回折格子型波長合分波器を作製した作製条件の下で作製した。α＝０．５、θ０＝０．０３rad とした。２１個の各出力ポートにおいて損失波長スペクトルを測定した。透過中心波長での損失波長スペクトルの傾きは、図４と同様の分布を示し、±０．５ｄＢ／ｎｍの範囲内の値であった。

［実施形態４］
図７（Ａ）は、第４の実施形態にかかるアレイ導波路回折格子型波長合分波器を示す。本実施形態の基本構成は、図１の実施形態１と同様であるが、図７（Ａ）の模式図のように入力チャネル導波路１１が中央点Ｐ１を臨む方向に対して傾斜して配置されることを特徴とする。また、出力チャネル導波路１５は図２（Ａ）のように、中央の出力ポート３３以外が中央点Ｐ４を臨む方向に対して傾斜して配置される。

本実施形態は、実施形態３と同様に、経験的に予測可能な作製誤差を与える作製工程に対して有効である。本実施形態は、入力チャネル導波路１１を傾斜させることにより、導波路アレイ１３の位相誤差による損失波長スペクトルの傾きを小さく抑える。この傾斜角φ０は、実施形態３で説明したθ０と同様に特定できる。入力チャネル導波路１１と入力スラブ導波路１２との接続点が入力スラブ導波路１２の中心軸上にある場合、φ０＝−α・θ０の関係がある。

図７（Ｂ）と図７（Ｃ）は、入力コア幅調整部１６付近の拡大図を示す。図７（Ｂ）に示すように、入力コア幅調整部１６は２次関数的形状で拡大しながら入力スラブ導波路１２に接続し、接続点でのコア幅がコアの中心線に対して左右非対称になる。傾斜角φ０の絶対値が０．１rad 以下と小さい場合にコア幅の非対称性は無視できる。傾斜角が大きく非対称性が無視できなくなる場合には、入力コア幅調整部１６は、図７（Ｃ）に示すように一定幅のコア幅延長部を介して、入力スラブ導波路１２に接続されるのが望ましい。

本実施形態のアレイ導波路回折格子型波長合分波器の試作結果について説明する。基本的な構成と作製工程は実施形態３と同様である。α＝０．５、Δφ０＝−０．０１５rad であった。２１個の各出力ポートにおいて損失波長スペクトルを測定した。透過中心波長での損失波長スペクトルの傾きは、図４と同様の分布を示し、±０．５ｄＢ／ｎｍの範囲内の値であった。

［実施形態５］
図８は、第５の実施形態にかかるアレイ導波路回折格子型波長合分波器を示す。本実施形態の基本構成は、図１の実施形態１と同様であるが、図８の模式図のように複数の入力チャネル導波路１１が中央点Ｐ１を臨む方向に対してそれぞれ異なる角度で傾斜して配置されることを特徴とする。また、出力チャネル導波路１５は図２（Ａ）のように、中央の出力ポート３３以外が中央点Ｐ４を臨む方向に対して傾斜して配置される。

本実施形態は、不確定な作製誤差を与える作製工程に対して有効である。本実施形態は、導波路アレイ１３の不確定な位相誤差の影響を複数の入力チャネル導波路１１の傾斜で解消する。入力ポートごとに入力チャネル導波路１１の傾斜角度を変え、導波路アレイ１３の位相誤差の影響を最も解消できる入力チャネル導波路１１を入力ポートに選ぶ。この方法により、導波路アレイ１３の不確定な位相誤差の影響で生じた損失波長スペクトルの傾きを解消することができる。入力チャネル導波路の本数は、位相誤差の不確定さと要求される損失波長スペクトルの平坦性によって決まる。入力ポートを変えると、それに伴って同一波長を取り出す出力ポートも変わるが、追加した入力ポートの数だけ出力ポートを付加すれば良い。

本実施形態のアレイ導波路回折格子型波長合分波器の試作結果について説明する。本実施形態の作製には、損失波長スペクトルの傾きの出力ポート間における平均値が作製誤差により±１ｄＢ／ｎｍの不確定性がある作製工程が用いられた。この損失波長スペクトルの傾きの平均値の変動を±０．２ｄＢ／ｎｍ以内にするために、５つの入力ポートが設置され、それぞれに、−０．８、−０．４、０、０．４、０．８ｄＢ／ｎｍの損失波長スペクトルの傾きに相当する傾斜角が与えられた。２１チャネルの波長分波器とするために２６個の出力ポートが配置され、出力チャネル導波路１５の傾斜はα＝０．５で規定された。

出力チャネル導波路１５の傾斜により、出力ポート間における透過中心波長に関する損失波長スペクトルの傾きのばらつきは、±０．５ｄＢ／ｎｍ以内に抑制された。また出力ポート間における損失波長スペクトルの傾きの平均値は、その値を最小にするよう２つ目の入力ポートが選定されたため、０．０８ｄＢ／ｎｍであった。これらの結果、透過中心波長での損失波長スペクトルの傾きは約−０．４〜０．６ｄＢ／ｎｍとなった。

本実施形態では、中央の入力ポートに対応する入力チャネル導波路１１は中央点Ｐ１を臨む方向に配置されたが、これは、用いられた作製工程において損失波長スペクトルの傾きの出力ポート間における平均値の統計的平均が０あったためである。作製工程に損失波長スペクトルの傾きの出力ポート間における平均値に予測可能な一定の偏差が認められる場合、中央の入力ポートに対応する入力チャネル導波路１１をその偏差に相当する傾斜で配置することにより、導波路アレイ１３の位相誤差の影響による損失波長スペクトルの傾きを小さく抑えることができる。または、実施形態３のような、出力チャネル導波路１５を偏差に相当する分だけの傾斜を一様に加えて配置すること、あるいはこれらを組み合わせた配置によっても、導波路アレイ１３の位相誤差の影響による損失波長スペクトルの傾きを同様に小さく抑えることができる。

以上の実施形態についてはシリコン基板上に形成された石英系ガラスを用いた例を説明したが、本発明のアレイ導波路回折格子型波長合分波器は、シリコン基板上に形成されたものに限定されるものではなく、石英ガラスやセラミックス、プラスチック、他の半導体基板上に形成することができる。また、導波路の材料も石英系ガラスだけでなく、他の成分のガラスやプラスチック、半導体などの光学材料で導波路を構成することができる。

さらに、実施形態では入力コア幅調整部には２次関数的なパラボラ形状が用いられたが、本発明のアレイ導波路回折格子型波長合分波器では、入力コア幅調整部として、Ｙ分岐やＭＭＩ（マルチモード干渉計）を用いることができる。もちろん、入力コア幅調整部を直線的に拡大し、出力コア幅調整部をパラボラやＹ分岐、ＭＭＩで構成しても良い。

本発明の第１の実施形態のアレイ導波路回折格子型波長合分波器の構成図である。 本発明の第１の実施形態において、（Ａ）は出力スラブ導波路付近の構成の拡大図であり、（Ｂ）は出力スラブ導波路での集光フィールドと出力チャネル導波路の配置を説明する図である。 本発明の第１の実施形態において、損失波長スペクトルの平坦性を説明する図である。 本発明の第１の実施形態において、試作結果の損失波長スペクトルの傾き分布を示す図である。 本発明の第２の実施形態において、出力スラブ導波路付近の構成の拡大図である。 本発明の第３の実施形態において、（Ａ）は出力スラブ導波路付近の構成の拡大図であり、（Ｂ）はコア幅調整部を説明する図である。 本発明の第４の実施形態において、（Ａ）は入力スラブ導波路付近の構成の拡大図であり、（Ｂ）は入力コア幅調整部を説明する図であり、（Ｃ）は入力コア幅調整部を説明する図である。 本発明の第５の実施形態において、入力スラブ導波路付近の構成の拡大図である。 従来のアレイ導波路回折格子型波長合分波器の構成図である。 （Ａ）はアレイ導波路回折格子型波長合分波器の入力スラブ導波路付近の構成の拡大図であり、（Ｂ）は入力チャネル導波路と入力コア幅調整部を説明する図である。 アレイ導波路回折格子型波長合分波器の出力スラブ導波路付近の構成の拡大図である。 出力スラブ導波路で傾いた波面の光が集光する様子を示す図である。 （Ａ）は集光位置における収差がない場合の三つの波長での集光フィールドの分布を示す図であり、（Ｂ）は入力フィールド、収差がない場合の三つの波長での集光フィールド及び出力フィールドの分布と収差がない場合の損失波長スペクトルを示す図である。 （Ａ）は収差がある場合の集光フィールドの分布を示す図であり、（Ｂ）は入力フィールド、収差がある場合の集光フィールド及び出力フィールドの分布と収差がある場合の損失波長スペクトルを示す図である。 異なる位置に集光する五つの波長の光の集光フィールド分布を示す図である。 （Ａ）は従来アレイ導波路回折格子型波長合分波器の損失波長スペクトルを示す図であり、（Ｂ）従来アレイ導波路回折格子型波長合分波器の損失波長スペクトルの傾き値の分布を示す図である。 （Ａ）は従来アレイ導波路回折格子型波長合分波器の損失波長スペクトルを示す図であり、（Ｂ）は従来アレイ導波路回折格子型波長合分波器の損失波長スペクトルの傾き値の分布を示す図である。

符号の説明

２ 入力ポート
３ 出力ポート
１０ 基板
１１ 入力チャネル導波路
１２ 入力スラブ導波路
１３ 導波路アレイ
１４ 出力スラブ導波路
１５ 出力チャネル導波路
１６ 入力コア幅調整部
１７ 出力コア幅調整部
２０〜２３ 入力ポート
３１〜３５ 出力ポート
Ａ１〜Ａ４ 円弧
Ｐ１、Ｐ４ 中央点
Ｐ２、Ｐ３ 点
Ｐ５、Ｐ６ 仮想中心

Claims (3)

1. 基板上に形成された、少なくとも１本の入力チャネル導波路と、入力スラブ導波路と、複数のチャネル導波路からなる導波路アレイと、出力スラブ導波路と、複数の出力チャネル導波路とが順次接続されたアレイ導波路回折格子型波長合分波器において、
   前記入力チャネル導波路は、前記入力スラブ導波路との接続部に向かってコア幅が増大する入力コア幅調整部を有し、前記出力チャネル導波路は、前記出力スラブ導波路との接続部に向かってコア幅が増大する出力コア幅調整部を有し、
   前記出力チャネル導波路のうち少なくとも１本は、透過域での損失波長スペクトルの傾きを小さく抑えるように、前記導波路アレイと前記出力スラブ導波路との接続部の中央を臨む方向に対して傾斜して配置されることを特徴とするアレイ導波路回折格子型波長合分波器。
2. 前記入力チャネル導波路の少なくとも１本は、前記導波路アレイと前記入力スラブ導波路との接続部の中央を臨む方向に対して傾斜して配置されることを特徴とする請求項１に記載のアレイ導波路回折格子型波長合分波器。
3. 基板上に形成された、複数の入力チャネル導波路と、入力スラブ導波路と、複数のチャネル導波路からなる導波路アレイと、出力スラブ導波路と、複数の出力チャネル導波路とが順次接続されたアレイ導波路回折格子型波長合分波器において、
   前記入力チャネル導波路は、前記入力スラブ導波路との接続部に向かってコア幅が増大する入力コア幅調整部を有し、前記出力チャネル導波路は、前記出力スラブ導波路との接続部に向かってコア幅が増大する出力コア幅調整部を有し、
   前記出力チャネル導波路のうち少なくとも１本は、透過域での損失波長スペクトルの傾きを小さく抑えるように、前記導波路アレイと前記出力スラブ導波路との接続部の中央を臨む方向に対して傾斜して配置され、および
   複数の前記入力チャネル導波路は、前記損失波長スペクトルの傾きを小さく抑えるように、前記導波路アレイと前記入力スラブ導波路との接続部の中央を臨む方向に対して各々異なる角度で傾斜して配置されることを特徴とするアレイ導波路回折格子型波長合分波器。

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