JP2010250238A - 光波長合分波回路およびその偏波依存性調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＷＧ型光波長合分波回路の偏波依存性を調整する。
【解決手段】本発明の一実施形態による光波長合分波回路は、アレイ導波路回折格子と、光スプリッタと、光スプリッタに接続された第１および第２のアーム導波路と、第１および第２のアーム導波路に接続された光モード合成カプラであって、アレイ導波路回折格子のスラブ導波路に光学的に接続された光モード合成カプラとを備える。光モード合成カプラは、第１のアーム導波路から入力される基底モード光を１次モードに結合させ、第２のアーム導波路から入力される基底モード光を基底モードに結合させて、スラブ導波路の端部で合成フィールドを生成する。合成フィールドの基底モード光と１次モード光との位相差における偏波モード間の差異を変化させて、アレイ導波路回折格子の偏波依存性を調整することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光波長合分波回路およびその偏波依存性調整方法に関し、さらに詳しくは、アレイ導波路回折格子型の光波長合分波回路およびその透過波長の偏波モード間の差異を調整する方法に関する。

ブロードバンド通信サービスの普及により、光通信ネットワークの大容量化の要求がますます高まっている中、多数の光波長信号を一括に伝送する光波長多重（Wavelength Division Multiplexing: WDM）伝送は、ネットワークの伝送容量を飛躍的に増大させる技術として重要である。一方、シリコン等の基板上に形成した石英系ガラス導波路によって構成されたプレーナ光波回路（PLC）は、多様な光デバイスの基盤技術として盛んに研究開発が行われている。かかるPLC技術を利用したアレイ導波路回折格子（Arrayed-Waveguide Grating： AWG）は、多数の光波長を合波あるいは分波する機能を有し、WDM伝送における光波長合分波器として非常に重要な役割を果たしている。

ＷＤＭ伝送においては、信号光波長の偏波モードは規定されない。信号光波長の偏波状態は、伝送の条件によってあらゆる状態に変化し得るため、信号光波長の偏波状態が変動しても、伝送路の損失はなるべく変動しないことが望ましい。したがって、光波長合分波器としてのAWGにおいても、透過する光の偏波モード間における損失差（Polarization Dependent Loss: PDL）がなるべく小さいという特性が求められる。

図３６は、ＡＷＧの構成例を示す平面図である。ＡＷＧ５１００は、入力導波路５１０１、第１のスラブ導波路５１０２、アレイ導波路５１０３、第２のスラブ導波路５１０４、および出力導波路５１０５を備えている。図３７は、図３６の線分ＢＢ´での断面図である。図のように、シリコン基板５２０３に、導波路コア５２０１およびクラッド５２０２が設けられている。入力導波路５１０１のあるポートから入射した光波は、第１のスラブ導波路で拡大され、アレイ導波路５１０３に入射する。アレイ導波路５１０３の各導波路は、その光路長が一定の光路長差で順次長くなるように設定されており、各導波路を伝播した光波には一定の位相差が付与されて第２のスラブ導波路５１０４に入射する。これら入射した光波は、第２のスラブ導波路５１０４で干渉し、出力導波路５１０５に接続する端面に集光する。このとき、アレイ導波路５１０３で付与される位相差は波長に依存する（すなわち、波長によって等位相面の傾きが異なる）ため、第２のスラブ導波路５１０４での集光位置も波長に依存する。したがって、出力導波路５１０５には、第２のスラブ導波路５１０４との接続位置に対応した波長の光波が入射し、各ポートに分波される。ＷＤＭ伝送においては、入力導波路５１０１に入力された波長多重信号は、各波長の信号に分波されて出力導波路５１０５の各ポートに出力される。逆に、出力導波路５１０５の各ポートに入力された各波長の信号は、波長多重信号に合波されて入力導波路５１０１のあるポートに出力される。

かかるＡＷＧにおいては、入力導波路５１０１の第１のスラブ導波路５１０２との接続界面に励起されている光フィールドと、出力導波路５１０５の第２のスラブ導波路５１０４との接続界面に励起される光フィールド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、これらの光フィールドは基底モード光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。

特許第３４２３２９７号公報 特許第３２６６６３２号公報

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製造される導波路の実効屈折率においては、伝播する光波の偏波モード間に少なからず差異が発生する。導波路の実効屈折率の偏波モード間差異は、図３７に示すような矩形コアの導波路においては、基板に水平な電界成分を有する偏波モード（ＴＥモード）と基板に垂直な電界成分を有する偏波モード（ＴＭモード）との間で最も大きくなる。ＴＥモードとＴＭモード間の実効屈折率の差異は導波路の複屈折率と呼ばれる。石英系PLCにおいては、通常、複屈折率は有限の値を示すが、これをゼロに近づける幾つかの手法も開発されている（特許文献１、非特許文献１）。

しかしながら、実際にＡＷＧを製造する場合には、導波路の複屈折率を平均的にゼロにすることは可能であるが、製造される各回路において複屈折率はゼロではなく、ある領域に統計的に分布する。これは、製造される導波路のコア幅、コア厚や、コアにかかる応力の製造的な不均一性がその主要因である。このような製造誤差は、ＡＷＧの偏波特性に影響を与える。図３８は、ＡＷＧのＴＥ、ＴＭモード光に対する透過スペクトルの典型例を示したものである。ＡＷＧの透過波長は、原理的にアレイ導波路の実効屈折率に比例する。よって、アレイ導波路がゼロでない複屈折率を有する場合、その複屈折率に比例して、ＴＥ、ＴＭモードに対する透過波長に差が生じる。図３８では、特に、ＴＭモードの実効屈折率がＴＥモードに対して大きい場合の例を示している。ＡＷＧのＴＥ、ＴＭモード間の透過中心波長の差は、偏波依存波長シフト（Polarization Dependent Wavelength Shift: PDWS）と呼ばれる。

図３９は、ＡＷＧのＰＤＷＳに対するＰＤＬスペクトルの変化を示したものである。ここで、ＡＷＧの透過スペクトルは、３ｄＢ透過幅が０．４ｎｍ（５０ＧＨｚ）であるとし、ＰＤＷＳ＝０．０２ｎｍ（２．５ＧＨｚ）、０．０４ｎｍ（５ＧＨｚ）、０．０６ｎｍ（７．５ＧＨｚ）の場合を示している。横軸はＴＥ、ＴＭモードの透過中心波長の平均値を基準とした相対波長である。ＰＤＷＳは、（ＴＭモードの透過中心波長）−（ＴＥモードの透過中心波長）で定義し、以下、本明細書では同様の定義とする。相対波長ゼロにおいてＰＤＬ＝０ｄＢであるが、相対波長が正または負の状態においては、ＰＤＷＳが大きいほど、急峻にＰＤＬが増大する様子が分かる。ここで、ＡＷＧのＰＤＬ特性としては、信号光波長の揺らぎや、透過中心波長の製造精度の観点から、ある波長範囲での最悪値を考慮する必要がある。よって、ＡＷＧにおいては、ＰＤＷＳが大きいほど、そのＰＤＬ特性値は大きい（劣化する）といえる。

このように、ＡＷＧを実際に製造する場合には、製造誤差によってＰＤＷＳがゼロにはならず、それによってＰＤＬ特性の劣化が生じ、ＷＤＭ伝送において求められるＰＤＬ特性を歩留まり良く得ることができない、という問題があった。

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、偏波依存性を調整することができる光波長合分波回路を提供することにある。本発明による光波長合分波回路は、製造誤差等によって、ＰＤＷＳがゼロではなく、またそのＰＤＷＳが回路によって変動するような場合であっても、優れたＰＤＬ特性を安定的に得ることができる。

上記の課題を解消するにあたっては、一旦回路を製造した後に、ＰＤＷＳを変化させ、ゼロに調整する、という手段が望ましいと考えられる。このようなＰＤＷＳの変化をＡＷＧにおいて得るために、本発明においては、ＡＷＧの入力導波路の第１のスラブ導波路への接続部に励起されている光モードに着目した。

従来技術によるＡＷＧにおいては、入力導波路の第１のスラブ導波路への接続部においては基底モード光のみが存在し、フィールドは対称な単峰状である。ここで、入力導波路側の光フィールドに、特定の強度比で１次モード光が混在した場合、フィールドは単峰状ながら非対称な形状となり、その非対称性は基底モード光と１次モード光の位相差により決まる。このフィールドが非対称になると、入力導波路の第１のスラブ導波路への接続部において光フィールド分布のピークが変位することになり、これは、ＡＷＧの透過スペクトルにおいては透過中心波長のシフトとなって表れる。

したがって、入力導波路において所定の強度比の１次モード光が励起されおり、かつ適当な機構により、その１次モード光と基底モード光の位相差に関して、偏波モード間の差異を変化させることができれば、従来技術によるＡＷＧにおいて、更にＰＤＷＳの変動を生じさせ、製造誤差に起因するＰＤＷＳを補償することが可能である。

以上の考察を踏まえ、本発明の課題を解消するために、請求項１に記載の発明は、第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に接続された複数の導波路からなるアレイ導波路と、前記アレイ導波路の複数の導波路に接続された第２のスラブ導波路とを備えたアレイ導波路回折格子と、光スプリッタと、前記光スプリッタに接続された第１および第２のアーム導波路と、前記第１および第２のアーム導波路に接続された光モード合成カプラであって、前記第１のアーム導波路から入力される基底モード光を１次モードに結合させ、前記第２のアーム導波路から入力される基底モード光を基底モードに結合させて、前記第１のスラブ導波路の端部で合成フィールドを生成する光モード合成カプラとを備え、前記アレイ導波路回折格子の偏波依存性を低減するために前記合成フィールドの基底モード光と１次モード光との位相差が偏波モード間で異なるように構成されたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光波長合分波回路であって、前記第１および前記第２のアーム導波路は、その導波路幅が互いに異なり、これにより前記アーム導波路間の光路長差が偏波モードによって異なることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の光波長合分波回路であって、前記第１および前記第２のアーム導波路は、少なくともいずれか一方の近傍に溝を備え、これにより前記アーム導波路間の光路長差が偏波モードによって異なることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の光波長合分波回路であって、前記第１および前記第２のアーム導波路は、少なくともいずれか一方の近傍にダミー導波路を備え、これにより前記アーム導波路間の光路長差が偏波モードによって異なることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の光波長合分波回路であって、前記光モード合成カプラと前記第１のスラブ導波路との間に、基底および１次モード光が伝播し、２次以上の高次モード光が伝播しないマルチモード導波路をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の光波長合分波回路であって、前記第１および前記第２のアーム導波路は、少なくともいずれか一方にヒータを備えることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載の光波長合分波回路であって、前記光モード合成カプラは、幅の異なる２本の導波路から構成される方向性結合器であることを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載の光波長合分波回路であって、前記光モード合成カプラは、幅の異なる２本の導波路から構成され、幅の狭い方の導波路は、幅が徐々に減少し、終端されていることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に接続された複数の導波路からなるアレイ導波路と、前記アレイ導波路の複数の導波路に接続された第２のスラブ導波路とを備えたアレイ導波路回折格子と、光スプリッタと、前記光スプリッタに接続された第１および第２のアーム導波路と、前記第１および第２のアーム導波路に接続された光モード合成カプラであって、前記第１のアーム導波路から入力される基底モード光を１次モードに結合させ、前記第２のアーム導波路から入力される基底モード光を基底モードに結合させて、前記第１のスラブ導波路の端部で合成フィールドを生成する光モード合成カプラとを備えた光波長合分波回路において、前記合成フィールドの基底モード光と１次モード光との位相差における偏波モード間の差異を変化させて、前記アレイ導波路回折格子の偏波依存性を調整することを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の偏波依存性調整方法であって、前記アーム導波路間の光路長差が偏波モードによって異なる光波長合分波回路において、前記第１および第２のアーム導波路の少なくとも一方に紫外線を照射して、前記アレイ導波路回折格子の偏波依存性を調整することを特徴とする。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項９に記載の偏波依存性調整方法であって、前記アーム導波路間の光路長差が偏波モードによって異なる光波長合分波回路において、前記第１および第２のアーム導波路の少なくとも一方を加熱して、前記アレイ導波路回折格子の偏波依存性を調整することを特徴とする。

また、請求項１２に記載の発明は、請求項９に記載の偏波依存性調整であって、前記アーム導波路間の光路長差における偏波モード間の差異を変化させて、前記アレイ導波路回折格子の偏波依存性を調整することを特徴とする。

本発明により、従来のＡＷＧによる光波長合分波回路において、偏波依存損失特性が製造誤差により変動する問題を解消し、優れた偏波依存損失特性を安定的に有する光波長合分波回路、および優れた偏波依存損失特性を安定的に得られる偏波依存波長シフトの調整方法を提供することができる。

本発明の一実施形態による光波長合分波回路の構成例を示す図である。 本発明の一実施形態による光波長合分波回路のテーパ導波路開口端で生成される基底および１次モード光のフィールドを示す図である。 本発明の一実施形態による光波長合分波回路のテーパ導波路開口端で生成される合成フィールドの変化を示す図である。 図３の各合成フィールドにおける振幅ピーク位置の変化を示す図である。 本発明の一実施形態による光波長合分波回路において、光位相差を正方向にシフトさせたときの合成フィールドの振幅ピーク位置の変化を示す図である。 本発明の一実施形態による光波長合分波回路において、光位相差を負方向にシフトさせたときの合成フィールドの振幅ピーク位置の変化を示す図である。 図１の光波長合分波回路のアーム導波路の構成例を示す図である。 図１の光波長合分波回路のアーム導波路の別の構成例を示す図である。 図１の光波長合分波回路のアーム導波路のさらに別の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施例による光波長合分波回路の構成を示す図である。 図１１の光波長合分波回路の光スプリッタからテーパ導波路の構成を示す図である。 本発明の第１の実施例による光波長合分波回路のアーム導波路に紫外線を照射したときの導波路の実効屈折率変動量と、アーム導波路間の光位相差の変化を示す図である。 本発明の第１の実施例による光波長合分波回路の調整前の中央の波長チャネルの透過スペクトルおよびＰＤＬスペクトルの一例を示す図である。 図１３の光波長合分波回路のアーム導波路に紫外線を照射したときの導波路の実効屈折率変化量δｎに対するＰＤＷＳの変化を示す図である。 図１３の光波長合分波回路の調整後の中央の波長チャネルの透過スペクトルおよびＰＤＬスペクトルの一例を示す図である。 本発明の第１の実施例による光波長合分波回路の調整前の中央の波長チャネルの透過スペクトルおよびＰＤＬスペクトルの別の一例を示す図である。 図１６の光波長合分波回路のアーム導波路に紫外線を照射したときの導波路の実効屈折率変化量δｎに対するＰＤＷＳの変化を示す図である。 図１６の光波長合分波回路の調整後の中央の波長チャネルの透過スペクトルおよびＰＤＬスペクトルの一例を示す図である。 本発明の第１の実施例による光波長合分波回路の光モード合成カプラの別の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施例による光波長合分波回路の光モード合成カプラのさらに別の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施例による光波長合分波回路の光モード合成カプラのさらに別の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施例による光波長合分波回路の光スプリッタの別の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施例による光波長合分波回路の構成を示す図である。 本発明の第２の実施例による光波長合分波回路の光スプリッタからテーパ導波路の構成を示す図である。 図２４の線分ＡＡ´での断面図である。 本発明の第２の実施例による光波長合分波回路のアーム導波路を加熱したときの導波路の実効屈折率変動量と、アーム導波路間の光位相差の変化を示す図である。 本発明の第３の実施例による光波長合分波回路の構成を示す図である。 本発明の第３の実施例による光波長合分波回路の光スプリッタからテーパ導波路の構成を示す図である。 本発明の第３の実施例による光波長合分波回路のアーム導波路に紫外線を照射したときの導波路の実効屈折率変動量の平均と、アーム導波路間の光位相差の変化を示す図である。 本発明の第３の実施例による光波長合分波回路の調整前の中央の波長チャネルの透過スペクトルおよびＰＤＬスペクトルの一例を示す図である。 図３０の光波長合分波回路のアーム導波路に紫外線を照射したときの導波路の実効屈折率変化量δｎに対するＰＤＷＳの変化を示す図である。 図３０の光波長合分波回路の調整後の中央の波長チャネルの透過スペクトルおよびＰＤＬスペクトルの一例を示す図である。 本発明の第３の実施例による光波長合分波回路の調整前の中央の波長チャネルの透過スペクトルおよびＰＤＬスペクトルの別の一例を示す図である。 図３３の光波長合分波回路のアーム導波路に紫外線を照射したときの導波路の実効屈折率変化量δｎに対するＰＤＷＳの変化を示す図である。 図３３の光波長合分波回路の調整後の中央の波長チャネルの透過スペクトルおよびＰＤＬスペクトルの一例を示す図である。 従来技術によるＡＷＧ型光波長合分波回路の構成例を示す図である。 図３６の線分ＢＢ´での断面図である。 従来技術によるＡＷＧ型光波長合分波回路におけるＴＥおよびＴＭモード光に対する透過スペクトルの典型例を示す図である。 従来技術によるＡＷＧ型光波長合分波回路におけるＰＤＷＳに対するＰＤＬスペクトルの変化を示す図である。

本発明の実施形態について以下に説明する。本発明の一実施形態にかかるＡＷＧ型光波長合分波回路の構成例を図１に示す。この光波長合分波回路１００は、入力導波路１０１、第１のスラブ導波路１０２、アレイ導波路１０３、第２のスラブ導波路１０４、および出力導波路１０５を備えている。この光波長合分波回路はさらに、光スプリッタ１０６、第１のアーム導波路１０７、第２のアーム導波路１０８、光モード合成カプラ１０９、マルチモード導波路１１０、直線テーパ導波路１１１を備えている。ここで、光モードカプラ１０９は、第１のアーム導波路１０７から入力する基底モード光を１次モード光に変換し、第２のアーム導波路１０８から入力する基底モード光を基底モード光として合成する。合成された基底モード光と１次モード光は、マルチモード導波路１１０およびテーパ導波路１１１を、それぞれのモードの実効屈折率に従って伝播する。したがって、テーパ導波路１１１の開口端、すなわち第１のスラブ導波路１０２への接続部においては、基底モード光と１次モード光の合成フィールドが生成される。この合成フィールドの基底モード光に対する１次モード光の強度比は、光スプリッタ１０６における分岐比と、光モード合成カプラの結合率によって決まり、位相差は、第１のアーム導波路１０７と第２のアーム導波路１０８の光路長差、マルチモード導波路１１０の長さ、およびテーパ導波路１１１の長さによって決まる。

図２は、本発明の一実施形態において、テーパ導波路１１１の開口端に生成される基底および１次モード光の各フィールド形状を示したものである。ここで、テーパ導波路１１１の開口端の導波路幅をＷとし、導波路の中央を横軸のゼロとし、座標軸の方向は図１のｐ軸の方向に対応している。また、縦軸は電界の振幅を表している。

図３は、図２に示した基底および１次モード光の合成フィールドの変化を示したものである。ここで、基底モード光と１次モード光の強度比は０．９５：０．０５に設定している。また、基底モード光に対する１次モード光の位相差を−π、−０．７５π、−０．５π、−０．２５π、０、０．２５π、０．５π、０．７５π、πと変えたときの結果をそれぞれ示している。図４は、図３の各合成フィールドにおける振幅ピーク位置の変化を示したものである。図３および図４から、基底モード光に対する１次モード光の位相差を変えることで、単峰状のフィールドを保ったまま、フィールドの振幅ピーク位置が変化することがわかる。ＡＷＧ１００において、このように第１のスラブ導波路１０２に入力するフィールドの振幅ピーク位置が変化することは、すなわち透過中心波長の変化になる。この合成フィールドの振幅ピークの変位量と、ＡＷＧ１００の透過中心波長の変化量は、ほぼ比例関係になり、振幅ピークの正方向への変位は透過中心波長の長波側への変化、負方向への変位は短波側への変化に対応する。

本発明においては、第１のアーム導波路１０７と第２のアーム導波路１０８の間の光路長差に偏波モード間での差異を与える。具体的には、第１のアーム導波路１０７と第２のアーム導波路１０８の各々の長さをＬ_１、Ｌ_２、各々のＴＥモードに対する実効屈折率をｎ（ＴＥ）_１、ｎ（ＴＥ）_２、各々のＴＭモードに対する実効屈折率をｎ（ＴＭ）_１、ｎ（ＴＭ）_２としたとき、次式がゼロでないように構成する。
｛ｎ（ＴＭ）_１・Ｌ_１−ｎ（ＴＭ）_２・Ｌ_２｝−｛ｎ（ＴＥ）_１・Ｌ_１−ｎ（ＴＥ）_２・Ｌ_２｝＝Ｂ_１・Ｌ_１−Ｂ_２・Ｌ_２
ここで、Ｂ_１、Ｂ_２はそれぞれ第１のアーム導波路１０７、第２のアーム導波路１０８の複屈折率であり、次式で与えられる。
Ｂ_１＝ｎ（ＴＭ）_１−ｎ（ＴＥ）_１
Ｂ_２＝ｎ（ＴＭ）_２−ｎ（ＴＥ）_２
このように、Ｂ_１・Ｌ_１−Ｂ_２・Ｌ_２≠０である状態で、各偏波モードに対して、上記の合成フィールドにおける基底モード光に対する１次モード光の位相差は、適当な手段により第１のアーム導波路１０７および／または第２のアーム導波路１０８の実効屈折率を変化させることによって調整が可能である。第１のアーム導波路１０７の実効屈折率を増加させれば位相差は正方向にシフトし、第２のアーム導波路１０８の実効屈折率を増加させれば位相差は負方向にシフトする。

以下、この光波長合分波回路におけるＰＤＷＳの調整例を説明する。まず、第１のアーム導波路１０７および第２のアーム導波路１０８の設計において、Ｂ_１・Ｌ_１−Ｂ_２・Ｌ_２を有限の値に設定するが、ここでは特にＢ_１・Ｌ_１−Ｂ_２・Ｌ_２＝０．５λ_０とする。ここで、λ_０はＡＷＧ１００の動作波長領域の中央の波長、すなわち出力導波路１０５の中央の導波路に分波されるチャネル波長である。０．５λ_０は波長λ_０の光波に対してπの位相差に相当する。また、設計においては、合成フィールドにおける基底モード光に対する１次モード光の位相差は、ＴＥモードについて−０．５πであるように設定する。このとき、ＴＭモードに対する同位相差は、０．５πとなっている。製造された回路の透過スペクトルを評価し、結果により以下の３つに分類する。
（１） ＰＤＷＳ＝０
（２） ＰＤＷＳ＜０ （ＴＥモードに対してＴＭモードの透過中心波長が短波側にある）
（３） ＰＤＷＳ＞０ （ＴＥモードに対してＴＭモードの透過中心波長が長波側にある）
分類（１）の場合には、すでにＰＤＷＳがゼロ（あるいは問題にならない程度に小さい状態）なので、ＰＤＷＳの調整は不要である。分類（２）または（３）の場合は、ＰＤＷＳの調整が必要である。分類（２）の場合、第１のアーム導波路１０７の実効屈折率を除々に増加させる。これにより合成フィールドにおける基底モード光に対する１次モード光の位相差は、正方向にシフトする。図５は、基底モード光に対する１次モード光の位相差の正方向へのシフト量に対する、上記の合成フィールドの振幅ピーク変位を、各偏波モードに関して示したものである。位相差のシフト量は各偏波モードに対して同様であるが、初期状態において位相差の偏波モード間差異が与えられているために、振幅ピークの変位は各偏波モードに対して異なる。ＴＥモードに関して振幅ピークは負の方向に変位し、ＴＭモードに対して振幅ピークは正の方向に変位する。すなわち、ＡＷＧ１００のＴＥモードの透過中心波長は短波側に変化し、ＴＭモードの透過中心波長は長波側に変化するので、ＰＤＷＳは正方向に変化する。ＰＤＷＳがゼロになった時点で、第１のアーム導波路１０７の実効屈折率変化を停止すれば、ＰＤＷＳの十分小さいＡＷＧを得ることができる。他方、分類（３）の場合、第２のアーム導波路１０８の実効屈折率を除々に増加させる。これにより合成フィールドにおける基底モード光に対する１次モード光の位相差は、負方向にシフトする。図６は、基底モード光に対する１次モード光の位相差の負方向へのシフト量に対する、上記の合成フィールドの振幅ピーク変位を、各偏波モードに関して示したものである。これによりＡＷＧ１００のＰＤＷＳは、負方向に変化する。ＰＤＷＳがゼロになった時点で、第２のアーム導波路１０８の実効屈折率変化を停止すれば、ＰＤＷＳの十分小さいＡＷＧを得ることができる。

ここで、マルチモード導波路１１０は本発明の光波長合分波回路に必ずしも必要な要素ではないが、マルチモード導波路１１０を設置する場合に、その幅としては、少なくとも１次モード光までは伝播可能であるほどは広く、２次モード以上の光は伝播できない（すなわち、２次モード以上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、第１のアーム導波路１０７から入力する基底モード光が、光モードカプラ１１０において僅かに２次モード以上の高次モード光に変換された場合でも、その高次モード光をマルチモード導波路１１０にて抑制し、テーパ導波路１１１の開口端での合成フィールドにおいて、不必要な変動が生じることを防ぐことができるからである。

また、前述の例では特にＢ_１・Ｌ_１−Ｂ_２・Ｌ_２＝０．５λ_０と設定したが、ＰＤＷＳの調整はＢ_１・Ｌ_１−Ｂ_２・Ｌ_２がゼロでない他の値であっても可能である。しかし、ＰＤＷＳの調整幅を最大にできるのは｜Ｂ_１・Ｌ_１−Ｂ_２・Ｌ_２｜がＡＷＧの動作波長の１／２である場合であり、効率的な調整という観点でＢ_１・Ｌ_１−Ｂ_２・Ｌ_２は０．５λ_０または−０．５λ_０になるべく近く設定されるのが好ましい。

また、Ｂ_１・Ｌ_１−Ｂ_２・Ｌ_２をゼロでない値とするためには、Ｂ_１≠Ｂ_２とする手段と、Ｌ_１≠Ｌ_２とする手段が考えられる。しかし、ＡＷＧの動作波長範囲において同様なＰＤＷＳ調整を実現するためには、Ｌ_１とＬ_２はなるべく一致させるのが好ましい。これは、Ｌ_１とＬ_２の差異が大きいと、第１のアーム導波路１０７と第２のアーム導波路１０８の間の光路長差自体が大きな値となり、光位相差に波長依存性が生じ、結果として、上記の合成フィールドにおける基底モード光と１次モード光の間の位相差に、波長依存性が生じてしまうからである。よって、実質的には、Ｂ_１・Ｌ_１−Ｂ_２・Ｌ_２をゼロでない値とするために、主としてＢ_１とＢ_２の差異を利用することになる。

以下、Ｂ_１とＢ_２の差異を生じさせる手段について幾つか例示する。図７は、ＡＷＧ１００において第１のアーム導波路１０７と第２のアーム導波路１０８の近傍を拡大して示した図であり、導波路幅の差異によってＢ_１とＢ_２の差異を生じさせる例である。図７においては、第１のアーム導波路１０７の導波路幅が、第２のアーム導波路１０８の導波路幅に比較して拡大されている。一般に、導波路幅が広いと、狭い場合に比較して基板またはクラッドからの横方向の応力を受け易くなり、複屈折率は大きくなる傾向にある。よって、図７の構成においては、Ｂ_１＞Ｂ_２が実現される。同様に、第２のアーム導波路１０８の導波路幅が、第１のアーム導波路１０７の導波路幅に比較して広ければ、Ｂ_１＜Ｂ_２を実現することができる。ここで、導波路幅の変換は滑らかなテーパ導波路により実現されており、変換による過剰な損失は生じないようになっている。

図８は、図７と同様に第１のアーム導波路１０７と第２のアーム導波路１０８の近傍を拡大して示した図であり、応力開放溝を利用してＢ_１とＢ_２の差異を生じさせる例である。ここで、応力開放溝８０１、８０２は、クラッドを取り除いて形成されている。応力開放溝８０１、８０２を第１のアーム導波路１０７の近傍に形成することで、第１のアーム導波路１０７にかかる横方向の応力が一部開放され、複屈折率が小さくなる傾向にある。よって、図８の構成においては、Ｂ_１＜Ｂ_２が実現される。同様に、第２のアーム導波路１０８の近傍に応力開放溝を形成すれば、Ｂ_１＞Ｂ_２を実現することができる。

図９は、図７および図８と同様に第１のアーム導波路１０７と第２のアーム導波路１０８の近傍を拡大して示した図であり、ダミー導波路を利用してＢ_１とＢ_２の差異を生じさせる例である。ここで、ダミー導波路９０１、９０２は、光の伝播には使用されない。ダミー導波路９０１、９０２を第１のアーム導波路１０７の近傍に形成することで、第１のアーム導波路１０７にかかる横方向の応力が増加し、複屈折率が大きくなる傾向にある。よって、図９の構成においては、Ｂ_１＞Ｂ_２が実現される。同様に、第２のアーム導波路１０８の近傍にダミー導波路を形成すれば、Ｂ_１＜Ｂ_２を実現することができる。

以上、Ｂ_１とＢ_２の差異を生じさせる幾つかの例を示したが、これらの手段は単独でも利用できるし、組み合わせて利用することができる。組み合わせて利用することにより、Ｂ_１とＢ_２の差異をより効率的に生じさせることが可能である。

本発明の第１の実施例に係るＡＷＧ型光波長合分波回路の構成を図１０に示す。この光波長合分波回路１１００は、入力導波路１１０１、第１のスラブ導波路１１０２、アレイ導波路１１０３、第２のスラブ導波路１１０４、出力導波路１１０５を備えている。光波長合分波回路１１００はさらに、光スプリッタ１１０６、第１のアーム導波路１１０７、第２のアーム導波路１１０８、光モード合成カプラ１１０９、マルチモード導波路１１１０、直線テーパ導波路１１１１を備えている。

図１０においてアレイ導波路１１０３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。このＡＷＧ１１００は石英系ＰＬＣにより構成され、クラッドの屈折率を１．４４４２５、導波路の比屈折率差Δを１．５％、コア厚を４．５μｍとし、入力導波路１１０１、アレイ導波路１１０３、出力導波路１１０５、および第２のアーム導波路１１０８のコア幅は４．５μｍとしている。また、波長チャネル数は４０、中央の波長チャネルの透過波長は１５４４．５３ｎｍ（１９４．１ＴＨｚ）、波長チャネル間隔は０．８ｎｍ（光周波数間隔１００ＧＨｚ）である。このとき、アレイ導波路の本数は２５０本、ΔＬは３３．９μｍである。また、第１のスラブ導波路１１０２および第２のスラブ導波路１１０４の長さは８１００μｍであり、出力導波路１１０５は、第２のスラブ導波路１１０４に接続する部分において１６μｍ間隔で波長チャネル数（すなわち、４０本）配置されている。

図１１は、図１０の光波長合分波回路における光スプリッタ１１０６からテーパ導波路１１１１近傍を拡大した図である。各符号は図１０と同様である。ここで、光スプリッタ１１０６としては方向性結合器を用いている。また、第１のアーム導波路１１０７のコア幅は２０μｍに拡大されている。このとき、第１のアーム導波路１１０７の長さＬ_１および複屈折率Ｂ_１、第２のアーム導波路１１０８の長さＬ_２および複屈折率Ｂ_２は、Ｌ_１＝３９００μｍ、Ｂ_１＝２．３×１０^−４、Ｌ_２＝３９００μｍ、Ｂ_２＝３×１０^−５であり、Ｂ_１・Ｌ_１−Ｂ_２・Ｌ_２＝０．７７μｍとなっている。また、光モードカプラ１１１０としては導波路幅が非対称な方向性結合器を用いており、第１のアーム導波路１１０７に接続する導波路１２０１の幅を２．５μｍ、第２のアーム導波路１１０８に接続する導波路１２０２の幅を８μｍとし、導波路１２０１、１２０２の長さは５００μｍとしている。また、光スプリッタ１１０６から第１のアーム導波路１１０７、第１のアーム導波路１１０７から導波路１２０１へは曲線テーパにより滑らかに導波路幅が変換されており、第２のアーム導波路１１０８から導波路１２０２へは直線テーパにより滑らかに導波路幅が変換されている。このとき、導波路２１０１の基底モード実効屈折率と、導波路１２０２の１次モード実効屈折率はほぼ等しくなっており、第１のアーム導波路１１０７から導波路１２０１に入力する基底モード光は、導波路１２０２の１次モードに結合する。また、第２のアーム導波路１１０８から入力する基底モード光は、そのまま導波路１２０２を基底モードで伝播するので、マルチモード導波路１１１０へは基底モードと１次モードが合成され出力される。基底モード光と１次モード光の光強度比は、光スプリッタ１１０６における分岐比と、光モード合成カプラ１１０９の導波路１２０１から１２０２への結合率によって決まるが、本実施例ではそれぞれ５．５％、９０％に設計されており、基底モード光と１次モード光の光強度比は９５：５である。また、光モード合成カプラ１１０９は、マルチモード導波路１１１０およびテーパ導波路１１１１を介して第１のスラブ導波路１１０２に接続されている。テーパ導波路１１１１の長さは４００μｍ、開口端の幅は１３μｍである。マルチモード導波路１１１０およびテーパ導波路１１１１においては、基底モード光は基底モード光のまま、１次モード光は１次モード光のまま伝播する。したがって、テーパ導波路１１１１の開口端、ないし第１のスラブ導波路１１０２への接続部においては、基底モード光と１次モード光の合成フィールドが生成される。

この合成フィールドにおける基底モード光に対する１次モード光の位相差は、第２のアーム導波路１１０８に対する第１のアーム導波路１１０７の長さおよび実効屈折率の差分、マルチモード導波路１１１０の長さ、およびテーパ導波路１１１１の長さによって決まるが、本実施例では第２のアーム導波路１１０８に対する第１のアーム導波路１１０７の長さの差分はゼロとし、基底モード光に対する１次モード光の位相差がＴＥモード偏波で−０．５πになるようにマルチモード導波路１１１０の長さを設計している。このとき、ＴＭモード偏波での同位相差は０．５πになる。

本実施例における光波長合分波回路のＰＤＷＳ調整方法を説明する。本実施例では、第１のアーム導波路１１０７または第２のアーム導波路１１０８において実効屈折率を変化させる。その手法としては、紫外光の照射を用いる。石英系ＰＬＣにおいて、紫外光照射により導波路の実効屈折率を変化させる技術については、非特許文献２に開示されている。石英系導波路に紫外光を照射した場合には、導波路の実効屈折率を増加させることが可能である。

図１１において、領域１２０３、１２０４に紫外光を照射する。実際には、領域１２０３あるいは１２０４の形状のみ切り取られた金属板等をＰＬＣ上面に設置し、上面から紫外光を照射することで、ＰＬＣの所望の領域のみに紫外光を到達させることができる。ここで、領域１２０３および１２０４に重なる第１のアーム導波路１１０７または第２のアーム導波路１１０８の部分の導波路長は、各５００μｍである。

図１２は、領域１２０３または１２０４に紫外線を照射した場合における導波路の実効屈折率変動量と、第２のアーム導波路１１０８に対する第１のアーム導波路１１０７の光位相差の変化を示した図である。ここで、光の波長は１５４５ｎｍ付近であるとしている。領域１２０３（すなわち、第１のアーム導波路１１０７）に紫外線を照射した場合には、実効屈折率変化に対し、光位相差が正方向にシフトし、領域１２０４（すなわち、第２のアーム導波路１１０８）に紫外線を照射した場合には、実効屈折率変化に対し、光位相差が負方向にシフトすることがわかる。これら光位相差のシフトは、ＴＥ、ＴＭモード偏波の光に対して同様に生じる。

本実施例のＡＷＧ１１００の第１のスラブ導波路１１０２、アレイ導波路１１０３および第２のスラブ導波路１１０４から成る干渉回路において、ＰＤＷＳ＝０．０６ｎｍが残留していたとする。図１３はその場合のＴＥ、ＴＭモード偏波に対するＡＷＧ１１００の中央の波長チャネルの透過スペクトル、および同じくＡＷＧ１１００の中央の波長チャネルのＰＤＬスペクトルを示したものである。残留するＰＤＷＳの影響によって、透過中心波長から離れるにしたがってＰＤＬが急激に増大する様子がわかる。このＰＤＷＳ＞０の場合、ＰＤＷＳを低減するために、領域１２０４に紫外光を照射し、第２のアーム導波路１１０８の一部の実効屈折率を増加させる。図１４は、正のＰＤＷＳを有するＡＷＧの領域１２０４に紫外光を照射したときの導波路の実効屈折率変化量δｎに対するＰＤＷＳの変化を示したものである。実効屈折率の増加に伴ってＰＤＷＳは減少傾向を示し、δｎ＝１．２×１０^−４になったときにＰＤＷＳ＝０、すなわち目的とする状態に達する。実際の波形調整においては、紫外光を照射しながら同時に透過スペクトルを測定し、ＰＤＷＳ＝０となった時点で照射を停止する、という工程が考えられる。図１５は、δｎ＝１．２×１０^−４まで紫外光を照射した調整後において、ＴＥ、ＴＭモード偏波に対する中央の波長チャネルの透過スペクトル、および同じく中央の波長チャネルのＰＤＬスペクトルを示したものである。調整によって、偏波モード間の透過スペクトルの波長シフトが改善され、透過中心波長から離れたとしても、優れた低ＰＤＬ特性が得られることが確認される。

別の場合として、本実施例のＡＷＧ１１００の第１のスラブ導波路１１０２、アレイ導波路１１０３、第２のスラブ導波路１１０４から成る干渉回路において、ＰＤＷＳ＝−０．０４ｎｍが残留していたとする。図１６はこの場合のＴＥ、ＴＭモード偏波に対するＡＷＧ１１００の中央の波長チャネルの透過スペクトル、および同じくＡＷＧ１１００の中央の波長チャネルのＰＤＬスペクトルを示したものである。やはり残留するＰＤＷＳの影響によって、透過中心波長から離れるにしたがってＰＤＬが急激に増大する様子がわかる。そこでこの負のＰＤＷＳをを調整して解消するために、領域１２０３に紫外光を照射し、第１のアーム導波路１１０７の一部の実効屈折率を増加させる。図１７は、負のＰＤＷＳを有するＡＷＧの領域１２０３に紫外光を照射したときの導波路の実効屈折率変化量δｎに対するＰＤＷＳの変化を示したものである。実効屈折率の増加に伴ってＰＤＷＳは増加傾向を示し、δｎ＝８．０×１０^−５になったときにＰＤＷＳ＝０、すなわち目的の状態に達する。図１８は、δｎ＝８．０×１０^−５まで紫外光を照射した調整後において、ＴＥ、ＴＭモード偏波に対する中央の波長チャネルの透過スペクトル、および同じく中央の波長チャネルのＰＤＬスペクトルを示したものである。調整によって、やはり偏波モード間の透過スペクトルの波長シフトが改善され、透過中心波長から離れたとしても、優れた低ＰＤＬ特性が得られることが確認される。

本実施例においては、図１１のように、光モード合成カプラ１１０９として、非対称な方向性結合器を適用したが、光モード合成カプラ１１０９の実現はこの構成に限定されない。図１９は別構成における光モード合成カプラ１１０９近傍を拡大した図である。図１９の構成においては、図１１と同様に導波路１３０１、１３０２からなる非対称な方向性結合器ではあるが、導波路１３０１に接続する出力導波路は、溝１３０３によって終端されている。ここで、溝１３０３には光波を吸収する遮光材料が挿入されており、また遮光材料と出力導波路の界面は導波路に垂直ではなく、垂直面から８度傾いている。図１９の構成により、図１１の構成に比較して、導波路１３０１から導波路１３０２に光が結合せずに僅かに残る光波を遮断して第１のスラブ導波路１１０２などに迷光が侵入することを抑制し、またこの光波の反射も抑制することができるため、ＡＷＧ１１００の光学特性において、よりクロストークおよび反射特性に優れるものが実現可能である。

図２０は更に別構成における光モード合成カプラ１１０９近傍を拡大した図である。図２０の構成においては、図１１と同様に導波路１４０１、１４０２からなる非対称な方向性結合器ではあるが、導波路１４０１はその幅が徐々に狭くなり、最終的に幅が無くなって終端する構造になっている。このとき、導波路１４０１、１４０２の長さは１１００μｍに設計されている。図２０の構成により、図１１の構成に比較して、導波路１４０１から導波路１４０２への光波の結合率をほぼ１００％にすることができるため、ＡＷＧ１１００の光学特性において、より損失特性に優れたものが実現可能である。

図２１は更に別構成における、光モード合成カプラ１１０９近傍を拡大した図である。図２１の構成においては、光モード合成カプラ１１０９は２つのマルチモード干渉回路（Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｏｒｏｍｅｔｅｒ： ＭＭＩ）からなる。この構成については詳しくは、非特許文献３に開示されている。この光モード合成カプラ１１０９は、第１のＭＭＩ１５０１、第２のＭＭＩ１５０２、および中間導波路１５０３、１５０４、１５０５を備えている。第１のＭＭＩ１５０１は、幅２０μｍ、長さ７５４μｍであり、第２のＭＭＩ１５０２は、幅２０μｍ、長さ３７７μｍである。また、中間導波路１５０３は、幅４．５μｍ、長さ５０μｍであり、中間導波路１５０４は、幅４．５μｍ、長さ５１．５μｍであり、中間導波路１５０５は、幅４．５μｍ、長さ５３μｍである。一般に、ＭＭＩは方向性結合器に比較して、導波路幅の変化に対する分岐特性の変化が小さい。従って、図２１の構成により、図１１の構成に比較して、導波路の幅に作製誤差が生じた場合においても、アーム導波路１１０７から入力した基底モード光がマルチモード導波路１１１０の一次モードに結合する結合率が影響されないため、ＡＷＧ１１００の光学特性において、より作製トレランスに優れたものを実現可能である。

また、本実施例においては、図１１のように、光スプリッタ１１０６として、単一の方向性結合器を適用したが、光スプリッタ１１０６の実現はこの構成に限定されない。例えば、Ｙ分岐回路やＭＭＩによっても実現可能である。更に好ましくは、光スプリッタ１１０６は波長無依存カプラ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ＩＮｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｃｏｕｐｌｅｒ： ＷＩＮＣ）により実現される。図２２は、ＷＩＮＣによって構成された光スプリッタ１１０６近傍を拡大した図である。この光スプリッタ１１０６は、方向性結合器１６０１、１６０２、およびアーム導波路１６０３、１６０４を備えている。方向性結合器１６０１、１６０２の結合率はそれぞれ８５％、９０％であり、アーム導波路１６０４に対するアーム導波路１６０３の光路長差は０．４９μｍであり、ＷＩＮＣは分岐比５．５％の光スプリッタとして機能している。ＷＩＮＣを用いる図２２の構成により、単一の方向性結合器を用いる図１１の構成に比較して、分岐比の波長依存性が小さいため、ＡＷＧ１１００の光学特性において、より広い波長範囲で均一な波形調整動作を得ることができる。

本発明の第２実施例のＡＷＧ型光波長合分波回路の構成を図２３に示す。この光波長合分波回路２１００は、入力導波路２１０１、第１のスラブ導波路２１０２、アレイ導波路２１０３、第２のスラブ導波路２１０４、出力導波路２１０５を備えている。光波長合分波回路２１００はさらに、光スプリッタ２１０６、第１のアーム導波路２１０７、第２のアーム導波路２１０８、光モード合成カプラ２１０９、マルチモード導波路２１１０、直線テーパ導波路２１１１を備えている。また、第１のアーム導波路２１０７および第２のアーム導波路２１０８にはそれぞれ、導波路の一部を加熱できるようにヒータ２１１２、２１１３が備えられている。

図２３においてアレイ導波路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。このＡＷＧ２１００はＰＬＣにより構成され、クラッドの屈折率を１．４４４２５、導波路の比屈折率差Δを１．５％、コア厚を４．５μｍとし、入力導波路２１０１、アレイ導波路２１０３、出力導波路２１０５、第１のアーム導波路２１０７、および第２のアーム導波路２１０８のコア幅は４．５μｍとしている。また、波長チャネル数は４０、中央の波長チャネルの透過波長は１５４４．５３ｎｍ（１９４．１ＴＨｚ）、波長チャネル間隔は０．８ｎｍ（光周波数間隔１００ＧＨｚ）である。このとき、アレイ導波路の本数は２５０本、ΔＬは３３．９μｍである。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８１００μｍであり、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１６μｍ間隔で波長チャネル数（すなわち、４０本）配置されている。

図２４は、図２３の光波長合分波回路における光スプリッタ２１０６からテーパ導波路２１１１近傍を拡大した図である。各符号は図２３と同様である。ここで、光スプリッタ２１０６としてはＷＩＮＣを用いており、方向性結合器２２０１、２２０１、およびアーム導波路２２０３、２２０４を備えている。方向性結合器２２０１、２２０２の結合率はそれぞれ８５％、９０％、アーム導波路２２０４に対するアーム導波路２２０３の光路長差は０．４９μｍであり、ＷＩＮＣは分岐比５．５％の光スプリッタとして機能している。また、第１のアーム導波路２１０７の近傍には、応力開放溝２２０７、２２０８が設けられている。このとき、第１のアーム導波路２１０７の長さＬ_１および複屈折率Ｂ_１、第２のアーム導波路１１０８の長さＬ_２および複屈折率Ｂ_２は、Ｌ_１＝１５５００μｍ、Ｂ_１＝−２×１０^−５、Ｌ_２＝１５５００μｍ、Ｂ_２＝３×１０^−５であり、Ｂ_１・Ｌ_１−Ｂ_２・Ｌ_２＝０．７７μｍとなっている。図２５は、図２４の線分ＡＡ´での断面構造を示した図である。図のように、シリコン基板２３０４に、それぞれ第１のアーム導波路２１０７、第２のアーム導波路２１０８の導波路コア２３０１、２３０２、およびクラッド２３０３が設けられている。ヒータ２１１２、２１１３は各導波路コア２３０１、２３０２の上部にあたるクラッド２３０４の表面に実装され、それぞれの導波路を加熱できるようになっている。応力開放溝２２０７、２２０８は、導波路コア２３０１の両脇にクラッドの一部を取り除いて形成される。導波路コア２３０１と各応力開放溝２２０７、２２０８の間に残されたクラッドの幅は、本実施例では１０μｍである。

また、図２４のように、光モードカプラ２１０９としては導波路幅が非対称な方向性結合器を用いており、第１のアーム導波路２１０７に接続する導波路２２０５は幅２．５μｍから徐々に狭くなり、幅が無くなって終端する構造になっている。第２のアーム導波路２１０８に接続する導波路２２０６の幅は８μｍとし、導波路２２０５、２２０６の長さは１１００μｍとしている。また、第２のアーム導波路２１０８から導波路２２０６へは直線テーパにより滑らかに導波路幅が変換されている。光モードカプラ２００９から出力される基底モード光と１次モード光の光強度比は、光スプリッタ２１０６における分岐比と、光モード合成カプラ２１０９の導波路２２０５から２２０６への結合率によって決まるが、本実施例ではそれぞれ５．５％、９０％に設計されており、基底モード光と１次モード光の光強度比は９５：５である。また、光モード合成カプラ２１０９は、マルチモード導波路２１１０、テーパ導波路２１１１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２１１０の導波路幅は８μｍであり、テーパ導波路２１１１の長さは４００μｍ、開口端の幅は１３μｍである。このテーパ導波路２１１１において、基底モード光は基底モード光のまま、１次モード光は１次モード光のまま伝播する。したがって、テーパ導波路２１１１の開口端、ないし第１のスラブ導波路２１０２への接続部においては、基底モード光と１次モード光の合成フィールドが生成される。

この合成フィールドにおける基底モード光に対する１次モード光の位相差は、第２のアーム導波路２１０８に対する第１のアーム導波路２１０７の長さの差分、マルチモード導波路２１１０の長さ、およびテーパ導波路２１１１の長さによって決まるが、本実施例では第２のアーム導波路２１０８に対する第１のアーム導波路２１０７の長さの差分はゼロとし、基底モード光に対する１次モード光の位相差がＴＥモード偏波で−０．５πになるようにマルチモード導波路２１１０の長さを設計している。このとき、ＴＭモード偏波での同位相差は０．５πになる。

本実施例における光波長合分波回路のＰＤＷＳ調整方法を説明する。本実施例では、第１のアーム導波路２１０７または第２のアーム導波路２１０８において実効屈折率を変化させる。ただし本実施例では、第１のアーム導波路２１０７にはヒータ２１１２、第２のアーム導波路２１０８にはヒータ２１１３を備えており、各アーム導波路の実効屈折率を変化させる手法としては、ヒータ２１１２または２１１３を一定時間加熱し、導波路材質の非可逆的変化を起こす手法を用いる。石英系ＰＬＣにおいて、ヒータによる加熱によって導波路の実効屈折率を非可逆的に変化させる技術については、非特許文献４に開示されている。石英系導波路に一定時間の加熱を行った場合には、導波路の実効屈折率を増加させることが可能である。

図２４において第１のアーム導波路２１０７、第２のアーム導波路２１０８それぞれの上部に実装されたヒータ２１１２、２１１３の長さと幅は、２０００μｍ、５０μｍとなっている。図２６は、ヒータ２１１２または２１１３を一定時間加熱した場合の導波路の実効屈折率変動量と、第２のアーム導波路２１０８に対する第１のアーム導波路２１０７の光位相差の変化を示した図である。ここで、光の波長は１５４５ｎｍ付近であるとしている。ヒータ２１１２により第１のアーム導波路２１０７を加熱した場合には、実効屈折率変化に対し、光位相差が正方向にシフトし、ヒータ２１１３により第２のアーム導波路２１０８を加熱した場合には、実効屈折率変化に対し、光位相差が負方向にシフトすることがわかる。

図２６に示したように光位相差を変化させることで、テーパ導波路２１１１の開口端における基底モード光に対する１次モード光の位相差が、ＴＥ、ＴＭ各偏波モードで変化する。これにより、テーパ導波路２１１１の開口端における合成光フィールドのピーク位置を、各偏波モードに対して異なるように変化させ、ＡＷＧ２１００のＰＤＷＳを調整することができる。また、本実施例において、ＡＷＧ２１００の第１のスラブ導波路２１０２、アレイ導波路２１０３、第２のスラブ導波路２１０４から成る干渉回路において残留したＰＤＷＳに対する調整は、第１の実施例に説明された手順と全く同様に行うことができる。

本発明の第３実施例のＡＷＧ型光波長合分波回路の構成を図２７に示す。この光波長合分波回路３１００は、入力導波路３１０１、第１のスラブ導波路３１０２、アレイ導波路３１０３、第２のスラブ導波路３１０４、出力導波路３１０５を備えている。光波長合分波回路３１００はさらに、光スプリッタ３１０６、第１のアーム導波路３１０７、第２のアーム導波路３１０８、光モード合成カプラ３１０９、マルチモード導波路３１１０、直線テーパ導波路３１１１を備えている。

図２７においてアレイ導波路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。このＡＷＧ３１００は石英系ＰＬＣにより構成され、クラッドの屈折率を１．４４４２５、導波路の比屈折率差Δを１．５％、コア厚を４．５μｍとし、入力導波路３１０１、アレイ導波路３１０３、出力導波路３１０５、第１のアーム導波路３１０７、および第２のアーム導波路３１０８のコア幅は４．５μｍとしている。また、波長チャネル数は４０、中央の波長チャネルの透過波長は１５４４．５３ｎｍ（１９４．１ＴＨｚ）、波長チャネル間隔は０．８ｎｍ（光周波数間隔１００ＧＨｚ）である。このとき、アレイ導波路の本数は２５０本、ΔＬは３３．９μｍである。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８１００μｍであり、出力導波路３１０５は、第２のスラブ導波路３１０４に接続する部分において１６μｍ間隔で波長チャネル数（すなわち、４０本）配置されている。

図２８は、図２７の光波長合分波回路における光スプリッタ３１０６からテーパ導波路３１１１近傍を拡大した図である。各符号は図２７と同様である。ここで、光スプリッタ３１０６としてはＷＩＮＣを用いており、方向性結合器３２０１、３２０２、およびアーム導波路３２０３、３２０４を備えている。方向性結合器３２０１、３２０２の結合率はそれぞれ８５％、９０％、アーム導波路３２０４に対する３２０３の光路長差は０．４９μｍであり、ＷＩＮＣは分岐比５．５％の光スプリッタとして機能している。本実施例では、前述の実施形態や実施例とは異なり、第１のアーム導波路３１０７と第２のアーム導波路３１０８の間の光路長差における偏波モード間差異を与えない。第１のアーム導波路３１０７の長さＬ_１および複屈折率Ｂ_１、第２のアーム導波路３１０８の長さＬ_２および複屈折率Ｂ_２は、Ｌ_１＝３０００μｍ、Ｂ_１＝３×１０^−５、Ｌ_２＝３０００μｍ、Ｂ_２＝３×１０^−５であり、Ｂ_１・Ｌ_１−Ｂ_２・Ｌ_２＝０．０μｍとなっている。

また、図２８のように、光モードカプラ３１０９としては導波路幅が非対称な方向性結合器を用いており、第１のアーム導波路３１０７に接続する導波路３２０５は幅２．５μｍから徐々に狭くなり、幅が無くなって終端する構造になっている。第２のアーム導波路３１０８に接続する導波路３２０６の幅は８μｍとし、導波路３２０５、３２０６の長さは１１００μｍとしている。また、第２のアーム導波路３１０８から導波路３２０６へは直線テーパにより滑らかに導波路幅が変換されている。光モードカプラ３００９から出力される基底モード光と１次モード光の光強度比は、光スプリッタ３１０６における分岐比と、光モード合成カプラ３１０９の導波路３２０５から３２０６への結合率によって決まるが、本実施例ではそれぞれ５．５％、９０％に設計されており、基底モード光と１次モード光の光強度比は９５：５である。また、光モード合成カプラ３１０９は、マルチモード導波路３１１０、テーパ導波路３１１１を介して第１のスラブ導波路３１０２に接続されている。マルチモード導波路３１１０の導波路幅は８μｍであり、テーパ導波路３１１１の長さは４００μｍ、開口端の幅は１３μｍである。このテーパ導波路３１１１において、基底モード光は基底モード光のまま、１次モード光は１次モード光のまま伝播する。したがって、テーパ導波路３１１１の開口端、ないし第１のスラブ導波路３１０２への接続部においては、基底モード光と１次モード光の合成フィールドが生成される。

この合成フィールドにおける基底モード光に対する１次モード光の位相差は、第２のアーム導波路３１０８に対する第１のアーム導波路３１０７の長さの差分、マルチモード導波路３１１０の長さ、およびテーパ導波路３１１１の長さによって決まるが、本実施例では第２のアーム導波路３１０８に対する第１のアーム導波路３１０７の長さの差分はゼロとし、基底モード光に対する１次モード光の位相差が−０．５πになるようにマルチモード導波路３１１０の長さを設計している。このとき、同位相差に偏波モードによる差異は無い。

本実施例における光波長合分波回路のＰＤＷＳ調整方法を説明する。本実施例では、第１のアーム導波路３１０７または第２のアーム導波路３１０８において実効屈折率を変化させるが、その際の実効屈折率変化量が偏波モードによって異なるようにする。すなわち、Ｂ_１あるいはＢ_２を変化させる。その手法としては、紫外光の照射を用いる。第１の実施例における紫外光照射とは照射の条件を変えることで、ＴＥ、ＴＭ各偏波モードにおいて、照射量に対する実効屈折率の増加率に差を与えることができる。特定の照射条件では、ＴＥモードにおける照射量に対する実効屈折率の増加率は、ＴＭモードの１．５倍になる。本実施例ではそのような照射条件を用いる。

図２８において、領域３２０７、３２０８に紫外光を照射する。実際には、領域３２０７あるいは３２０８の形状のみ切り取られた金属板等をＰＬＣ上面に設置し、上面から紫外光を照射することで、ＰＬＣの所望の領域のみに紫外光を到達させることができる。ここで、領域３２０７および３２０８に重なる第１のアーム導波路３１０７または第２のアーム導波路３１０８の部分の導波路長は、各１０００μｍである。

図２９は、領域３２０７または３２０８に紫外線を照射した場合におけるＴＥ、ＴＭモード偏波に対する導波路の実効屈折率変動量の平均と、第２のアーム導波路１１０８に対する第１のアーム導波路１１０７の光位相差のＴＥ、ＴＭモード偏波に対する変化を示した図である。ここで、光の波長は１５４５ｎｍ付近であるとしている。領域３２０７（すなわち、第１のアーム導波路３１０７）に紫外線を照射した場合には、平均実効屈折率変化に対し、光位相差が正方向にシフトし、ＴＥモードに対するシフト量はＴＭモードに対するシフト量の１．５倍である。領域３２０８（すなわち、第２のアーム導波路３１０８）に照射した場合には、平均実効屈折率変化に対し、光位相差が負方向にシフトし、ＴＥモードに対するシフト量はＴＭモードに対するシフト量の１．５倍であることがわかる。

本実施例のＡＷＧ３１００の第１のスラブ導波路３１０２、アレイ導波路３１０３、および第２のスラブ導波路３１０４から成る干渉回路において、ＰＤＷＳ＝０．０２ｎｍが残留していたとする。図３０はその場合のＴＥ、ＴＭモード偏波に対するＡＷＧ３１００の中央の波長チャネルの透過スペクトル、および同じくＡＷＧ３１００の中央の波長チャネルのＰＤＬスペクトルを示したものである。ＰＤＷＳ＞０の場合、ＰＤＷＳを低減するために、領域３２０８に紫外光を照射し、第２のアーム導波路３１０８の一部の実効屈折率を増加させる。図３１は、正のＰＤＷＳを有するＡＷＧの領域３２０８に紫外光を照射したときの導波路の平均実効屈折率変化量δｎに対するＰＤＷＳの変化を示したものである。平均実効屈折率の増加に伴ってＰＤＷＳは減少傾向を示し、δｎ＝４．０×１０^−４になったときにＰＤＷＳ＝０、すなわち目的とする状態に達する。図３２は、δｎ＝４．０×１０^−４まで紫外光を照射した調整後において、ＴＥ、ＴＭモード偏波に対する中央の波長チャネルの透過スペクトル、および同じく中央の波長チャネルのＰＤＬスペクトルを示したものである。調整によって、偏波モード間の透過スペクトルの波長シフトが改善され、透過中心波長から離れたとしても、優れた低ＰＤＬ特性が得られることが確認される。

別の場合として、ＰＤＷＳ＝−０．０２ｎｍが残留していたとする。図３３はこの場合のＴＥ、ＴＭモード偏波に対するＡＷＧ３１００の中央の波長チャネルの透過スペクトル、および同じくＡＷＧ３１００の中央の波長チャネルのＰＤＬスペクトルを示したものである。この負のＰＤＷＳを調整して解消するために、領域３２０７に紫外光を照射し、第１のアーム導波路３１０７の一部の実効屈折率を増加させる。図３４は、負のＰＤＷＳを有するＡＷＧの領域３２０３に紫外光を照射したときの導波路の平均実効屈折率変化量δｎに対するＰＤＷＳの変化を示したものである。実効屈折率の増加に伴ってＰＤＷＳは増加傾向を示し、δｎ＝４．０×１０^−４になったときにＰＤＷＳ＝０、すなわち目的の状態に達する。図３５は、δｎ＝４．０×１０^−４まで紫外光を照射した調整後において、ＴＥ、ＴＭモード偏波に対する中央の波長チャネルの透過スペクトル、および同じく中央の波長チャネルのＰＤＬスペクトルを示したものである。調整によって、やはり偏波モード間の透過スペクトルの波長シフトが改善され、透過中心波長から離れたとしても、優れた低ＰＤＬ特性が得られることが確認される。

本実施例では、Ｂ_１あるいはＢ_２を変化させる手法として紫外光の照射を説明したが、本発明の適用範囲はこの手法に限定されるものではなく、例えば、図２８における領域３２０７または３２０８において、調整可能な応力付与膜を装荷する手法なども適用可能である。この応力調整手法については特許文献２に開示されており、調整可能な応力付与膜の例としてはアモルファスシリコンなどが挙げられる。

以上、本発明の実施形態ならびに３つの実施例の説明から、本発明による光波長合分波回路では、従来のＡＷＧによる光波長合分波回路において、ＰＤＷＳが製造誤差により変動して必ずしもゼロにならない問題を解消し、適当な調整方法により、ＰＤＷＳがゼロであり、優れたＰＤＬ特性を有する光波長合分波回路を安定的に得られることが示された。

全ての実施例では、光波長合分波回路のチャネル数、チャネル間隔、各チャネルの透過波長を特定の数値に限定したが、本発明の適用範囲はこの数値に限定されるものではない。

全ての実施例では、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。

全ての実施例では、ＡＷＧの設計パラメーターを特定の値に限定したが、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。

全ての実施例では、テーパ導波路の開口端に生成される基底および１次モード光のパワー比を特定の値に限定したが、本発明の適用範囲はこの値に限定されるものではない。

１００、１１００、２１００、３１００、５１００ ＡＷＧ（アレイ導波路回折格子）
１０１、１１０１、２１０１、３１０１、５１０１ 入力導波路
１０２、１１０２、２１０２、３１０２、５１０２ 第１のスラブ導波路
１０３、１１０３、２１０３、３１０３、５１０３ アレイ導波路
１０４、１１０４、２１０４、３１０４、５１０４ 第２のスラブ導波路
１０５、１１０５、２１０５、３１０５、５１０５ 出力導波路
１０６、１１０６、２１０６、３１０６ 光スプリッタ
１０７、１１０７、２１０７、３１０７ 第１のアーム導波路
１０８、１１０８、２１０８、３１０８ 第２のアーム導波路
１０９、１１０９、２１０９、３１０９ 光モード合成カプラ
１１０、１１１０、２１１０、３１１０ マルチモード導波路
１１１、１１１１、２１１１、３１１１ テーパ導波路
８０１、８０２、２２０７、２２０８ 応力開放溝
９０１、９０２ ダミー導波路
１２０１、１２０２、１３０１、１３０２、１４０１、１４０２ 方向性結合器を構成する導波路
１２０３、１２０４、３２０７、３２０８ 紫外光照射領域
１３０３ 遮光材料挿入溝
１５０１、１５０２ ＭＭＩ（マルチモード干渉回路）
１５０３、１５０４、１５０５ 中間導波路
１６０１、１６０２、２２０１、２２０２ 方向性結合器
１６０３、１６０４、２２０３、２２０４ アーム導波路
２１１２、２１１３ ヒータ
２３０１、２３０２、５２０１ 導波路コア
２３０３、５２０２ クラッド
２３０４、５２０３ シリコン基板

Claims (12)

1. 第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に接続された複数の導波路からなるアレイ導波路と、前記アレイ導波路の複数の導波路に接続された第２のスラブ導波路とを備えたアレイ導波路回折格子と、
   光スプリッタと、
   前記光スプリッタに接続された第１および第２のアーム導波路と、
   前記第１および第２のアーム導波路に接続された光モード合成カプラであって、前記第１のアーム導波路から入力される基底モード光を１次モードに結合させ、前記第２のアーム導波路から入力される基底モード光を基底モードに結合させて、前記第１のスラブ導波路の端部で合成フィールドを生成する光モード合成カプラと
   を備え、前記アレイ導波路回折格子の偏波依存性を低減するために前記合成フィールドの基底モード光と１次モード光との位相差が偏波モード間で異なるように構成されたことを特徴とする光波長合分波回路。
2. 請求項１に記載の光波長合分波回路であって、
   前記第１および前記第２のアーム導波路は、その導波路幅が互いに異なり、これにより前記アーム導波路間の光路長差が偏波モードによって異なることを特徴とする光波長合分波回路。
3. 請求項１または２に記載の光波長合分波回路であって、
   前記第１および前記第２のアーム導波路は、少なくともいずれか一方の近傍に溝を備え、これにより前記アーム導波路間の光路長差が偏波モードによって異なることを特徴とする光波長合分波回路。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の光波長合分波回路であって、
   前記第１および前記第２のアーム導波路は、少なくともいずれか一方の近傍にダミー導波路を備え、これにより前記アーム導波路間の光路長差が偏波モードによって異なることを特徴とする光波長合分波回路。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の光波長合分波回路であって、
   前記光モード合成カプラと前記第１のスラブ導波路との間に、基底および１次モード光が伝播し、２次以上の高次モード光が伝播しないマルチモード導波路をさらに備えることを特徴とする光波長合分波回路。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の光波長合分波回路であって、
   前記第１および前記第２のアーム導波路は、少なくともいずれか一方にヒータを備えることを特徴とする光波長合分波回路。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の光波長合分波回路であって、
   前記光モード合成カプラは、幅の異なる２本の導波路から構成される方向性結合器であることを特徴とする光波長合分波回路。
8. 請求項１から６のいずれかに記載の光波長合分波回路であって、
   前記光モード合成カプラは、幅の異なる２本の導波路から構成され、幅の狭い方の導波路は、幅が徐々に減少し、終端されていることを特徴とする光波長合分波回路。
9. 第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に接続された複数の導波路からなるアレイ導波路と、前記アレイ導波路の複数の導波路に接続された第２のスラブ導波路とを備えたアレイ導波路回折格子と、
   光スプリッタと、
   前記光スプリッタに接続された第１および第２のアーム導波路と、
   前記第１および第２のアーム導波路に接続された光モード合成カプラであって、前記第１のアーム導波路から入力される基底モード光を１次モードに結合させ、前記第２のアーム導波路から入力される基底モード光を基底モードに結合させて、前記第１のスラブ導波路の端部で合成フィールドを生成する光モード合成カプラと
   を備えた光波長合分波回路において、
   前記合成フィールドの基底モード光と１次モード光との位相差における偏波モード間の差異を変化させて、前記アレイ導波路回折格子の偏波依存性を調整することを特徴とする偏波依存性調整方法。
10. 請求項９に記載の偏波依存性調整方法であって、
    前記アーム導波路間の光路長差が偏波モードによって異なる光波長合分波回路において、
    前記第１および第２のアーム導波路の少なくとも一方に紫外線を照射して、前記アレイ導波路回折格子の偏波依存性を調整することを特徴とする方法。
11. 請求項９に記載の偏波依存性調整方法であって、
    前記アーム導波路間の光路長差が偏波モードによって異なる光波長合分波回路において、
    前記第１および第２のアーム導波路の少なくとも一方を加熱して、前記アレイ導波路回折格子の偏波依存性を調整することを特徴とする方法。
12. 請求項９に記載の偏波依存性調整であって、
    前記アーム導波路間の光路長差における偏波モード間の差異を変化させて、前記アレイ導波路回折格子の偏波依存性を調整することを特徴とする方法。

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