JP2011128206A

JP2011128206A - アレイ導波路回折格子

Info

Publication number: JP2011128206A
Application number: JP2009283980A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Nakamura; 滋中村
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2011-06-30

Abstract

【課題】隣り合う導波路間のクロストークを抑制し、小型化と良好な合分波特性とを両立したアレイ導波路回折格子を提供する。
【解決手段】アレイ導波路２４において隣り合う導波路２４ａ〜２４ｄは互いに幅が異なるように形成されているので、隣り合う導波路の伝搬定数も互いに異なる。これにより、アレイ導波路の小型化にともなって隣り合う導波路の間隔が狭まっても、隣り合う導波路間のクロストークを抑制でき、小型化と良好な合分波特性とが両立したＡＷＧを提供できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、アレイ導波路回折格子に関し、特に、波長分割多重光通信システムに用いられるアレイ導波路回折格子に関する。

光ファイバ通信システムにおいては、複数の波長で光信号を伝搬させる波長分割多重（ＷＤＭ：ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘ）により大容量通信の実現が可能となる。ＷＤＭを用いるシステムでは、光送受信器と伝送路とを接続する部分で複数波長の光信号を合分波する必要があり、複数波長の光信号を合分波するためにアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：ＡｒｒａｙｅｄＷａｖｅｇｕｉｄｅＧｒａｔｉｎｇ）が広く用いられている。

ＡＷＧは、図５に示すように、基板１上に、入力導波路２と、入力導波路２の出力側に入力側が接続された第１のスラブ導波路３と、出力導波路６と、出力導波路６の入力側に出力側が接続された第２のスラブ導波路５と、第１のスラブ導波路３の出力側および第２のスラブ導波路５の入力側を互いに接続する複数の導波路からなるアレイ導波路４とが形成されたものである。

ＡＷＧの動作を、分波動作を例として説明する。
波長がλ₁，λ₂，…，λ_nのｎ本の光からなる合成信号が入力導波路２に入力されると、この合成信号は第１のスラブ導波路３にて回折して放射状に広がり、アレイ導波路４を構成する各導波路に合成信号として入射する。アレイ導波路４を構成する複数の導波路は、それぞれ異なる光路長をもつ。このため、ｎ本の光は、アレイ導波路４を通過すると導波路ごとに波長に応じた位相差を生じたうえで第２のスラブ導波路５に到達する。アレイ導波路４を構成する各導波路から第２のスラブ導波路５に入力された光は、この第２のスラブ導波路５内を回折して伝搬し、合成信号からなる光が干渉し合うことによって、その波長に応じた傾きの等位相面を有することになる。この結果、波長によって第２のスラブ導波路５と出力導波路６との界面上において光が強められる位置が異なり、それらのそれぞれ接続された出力導波路６により各波長の光を出力することにより、合成信号を一括して分波できる。

アレイ導波路４は、図５に示すように、円弧状の形状をしており、通常１００本程度の導波路をほぼ等間隔で並んだ構成をしている。各々の導波路の伝搬定数βが位置や時間によって変動しない場合、内側からｋ番目の導波路と内側からｋ＋１番目の導波路の間で、式（１）が成り立つように各々の導波路の全長が決定される。
ここで、ｘ_kは内側からｋ番目の導波路における伝搬方向に沿った位置を示し、積分は導波路の伝搬方向に沿って第１のスラブ導波路３に接続されている始点から第２のスラブ導波路５に接続されている終点まで行なう。また、ｍは回折次数であり、１や２などの整数をとる。

従来、ＷＤＭ光通信システムに用いるＡＷＧとして、石英ガラス導波路が広く使用されており、特性を向上させるために様々な取り組みがなされている。
たとえば、特願２００１−５５８７６９号公報（特許文献１）には、アレイ導波路の幅を内側に配置される導波路で太く、また、外側に配置される細くすることにより、偏光に依存しないＡＷＧが記載されている。

近年、石英ガラス導波路で構成されるＡＷＧのほか、シリコン導波路で構成されるＡＷＧへの取り組みも活発化している。
シリコンをコアとして用いた場合、波長１．５５μｍの光に対して、コアとなるシリコンの屈折率は３．４６、クラッドとなる石英ガラスの屈折率は１．４６であることから、コアとクラッドとの間に大きな屈折率差が生じ、コア内部に光を閉じこめる作用が強くなるため、導波路を急峻な曲げ構造とすることが可能となる。

シリコンをコアとした導波路の構造の一例を図６に示す。シリコン基板１０１上に石英ガラス層１０２が形成されており、これが下部クラッドを成し、その上にコアとしてのシリコン細線１０３が形成されている。上部クラッド１０４としては、石英ガラスや空気を用いる。この場合、導波路の曲げ半径を５μｍ程度まで小さくできる。

シリコンをコアとした導波路の構造の他の例を図７に示す。シリコン基板２０１上に石英ガラス層２０２が形成されており、これが下部クラッドを成す。その上のシリコン層２３においてリブ構造２０３ａを形成し、リブ構造２０３ａがコアを成す。上部クラッド２０４としては、石英ガラスや空気を用いる。この場合、導波路の曲げ半径はリブ構造２０３ａの断面形状に大きく依存するものの、数１０μｍ以下まで小さくできる。

シリコンをコアとした導波路を用いて、導波路を上述したように急峻な曲げ構造とすることにより、ＡＷＧを微小領域に形成することが可能となる。
たとえば、非特許文献１には、厚さ０．３５μｍ、幅０．３２μｍのシリコン細線をコアとし、下部クラッドを石英ガラス、上部クラッドを空気としたシリコン細線導波路を用いることにより、１００μｍ×１００μｍの微小領域に形成されたＡＷＧが記載されている。
また、非特許文献２には、厚さ０．２２μｍ、幅０．５０μｍのシリコン細線をコアとし、下部クラッドおよび上部クラッドを石英ガラスとしたシリコン細線導波路を用いることにより、４２５μｍ×１５５μｍの微小領域に形成されたＡＷＧが記載されている。

特願２００１−５５８７６９号公報（特許第３７８４７２０号）

Ｆｕｋａｚａｗａ他著「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス」（ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ）、第４３巻、第Ｌ６７３頁〜第Ｌ６７５頁、２００３年Ｄｕｍｏｎ他著「オプティクス・エクスプレス」（ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ）、第１４巻、第６６４頁〜第＊頁、２００６年

しかしながら、非特許文献１や非特許文献２に記載されたような微小領域に形成された（すなわち、小型化された）ＡＷＧでは、アレイ導波路の部分においては導波路が必然的に狭い間隔で配置されてしまうため、隣り合う導波路間でクロストークが生じてＡＷＧの合分波特性を損なう恐れがある。

本発明の目的は、アレイ導波路において隣り合う導波路間のクロストークを抑制し、小型化と良好な合分波特性とを両立したアレイ導波路回折格子を提供することにある。

本発明にかかるアレイ導波路回折格子は、入力導波路と、この入力導波路の出力側に入力側が接続された第１のスラブ導波路と、出力導波路と、この出力導波路の入力側に出力側が接続された第２のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路の出力側および第２のスラブ導波路の入力側を互いに接続する複数の導波路からなるアレイ導波路とを備え、前記複数の導波路は、隣り合う導波路の伝搬定数が互いに異なることを特徴とする。

本発明によるアレイ導波路回折格子によれば、アレイ導波路において隣り合う導波路の伝搬定数が互いに異なるので、アレイ導波路の小型化にともなって隣り合う導波路の間隔が狭まっても、隣り合う導波路間のクロストークを抑制できる。したがって、小型化と良好な合分波特性とを両立したアレイ導波路回折格子を提供できる。

本発明の実施の形態１にかかるＡＷＧの構成を示す図である。本発明の実施の形態２にかかるＡＷＧ導波路の構造を示す図である。本発明の実施の形態３にかかるＡＷＧの構成を示す図である。本発明の実施の形態４にかかるＡＷＧの構成を示す図である。従来のＡＷＧの構成を示す図である。シリコン細線導波路の構造の一例を示す図である。シリコンリブ導波路の構造の一例を示す図である。

［実施の形態１］
以下、本発明の実施の形態１について図面を参照して詳細に説明する。

本発明の実施の形態１にかかるＡＷＧは、図１に示すように、基板１上に形成された、入力導波路２と、第１のスラブ導波路３と、アレイ導波路１４と、第２のスラブ導波路５と、出力導波路６とから構成されている。アレイ導波路１４以外の各構成要素は背景技術として説明した従来のＡＷＧと共通するため、これらについては背景技術と同一の符号を用い、その詳しい説明は省略する。

アレイ導波路１４は、図１に示すように、円弧状の導波路を複数並べて構成されている。なお、便宜上、図１の拡大図では導波路１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの４本の導波路を図示しているが、導波路の本数は合分波する光信号の数に応じて任意に選ばれ、５本以上あってもよいことは言うまでもない。
本発明の実施の形態１にかかるＡＷＧでは、アレイ導波路１４を構成する導波路のうち、隣り合う導波路の伝搬定数が互いに異なるように設定されている。たとえば、図１の拡大図のように導波路１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，…、の順番に隣り合って並んでいるときには、各導波路の伝搬定数はそれぞれβ１，β２（β２≠β１），β１，β２（β２≠β１），…、のように設定される。このように、隣り合う導波路の伝搬定数が互いに異なっているため、隣り合う導波路のクロストークを抑えることができる。

以上説明した、本発明の実施の形態１にかかるＡＷＧによれば、アレイ導波路１４において隣り合う導波路の伝搬定数が異なるように設定されているので、アレイ導波路の小型化にともなって隣り合う導波路の間隔が狭まっても隣り合う導波路間のクロストークを抑制できる。したがって、小型化と良好な合分波特性とが両立したＡＷＧを提供できる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２のＡＷＧについて図面を参照して詳細に説明する。

本発明の実施の形態２にかかるＡＷＧは、図２に示すように、基板１上に形成された、入力導波路２と、第１のスラブ導波路３と、アレイ導波路２４と、第２のスラブ導波路５と、出力導波路６とから構成されている。アレイ導波路２４以外の各構成要素は背景技術として説明した従来のＡＷＧと共通するため、これらについては背景技術と同一の符号を用い、その詳しい説明は省略する。

アレイ導波路２４は、図２に示すように、円弧状の導波路を複数並べて構成されている。なお、便宜上、図２の拡大図では導波路２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの４本の導波路を図示しているが、導波路の本数は合分波する光信号の数に応じて任意に選ばれ、５本以上あってもよいことは言うまでもない。また、アレイ導波路２４に含まれる導波路の厚さは各々１．５μｍであり、隣り合う導波路の間隔は約１．０μｍである。

アレイ導波路２４に含まれる導波路は、図２の拡大図に示すように、隣り合う導波路は互いに幅が異なるように形成される。すなわち、幅ｄ１の導波路２４ａの隣に幅ｄ２の導波路２４ｂが形成されており、さらに幅ｄ２の導波路２４ｂの隣に幅ｄ１の導波路２４ｃが形成されている。導波路の伝搬定数は導波路の幅に応じて変化するため、隣り合う導波路の幅が互いに異なることは、隣り合う導波路の伝搬定数が互いに異なることを意味している。なお、実施の形態２では、ｄ１＝１．１（μｍ）、ｄ２＝１．３（μｍ）とし、各導波路の一本ごとの幅は、第１スラブ導波路３および第２スラブ導波路５との接続点の近傍を除いて一定（すなわち、ｄ１またはｄ２）であるものとする。

さて、隣り合う任意の２本の導波路の間で生じるクロストークの影響について、導波路２４ａ，２４ｂを例として説明する。
導波路２４ａ，２４ｂがある間隔で配置されている場合において、導波路２４ａに入力された光の強度Ｐ０に対し、長さＬだけ伝搬した後に導波路２４ａから出力される光の強度Ｐ１と、導波路２４ａから漏れだして導波路２４ｂから出力される光の強度Ｐ２とは、それぞれ、下記の式（２）および（３）のように表される。
ここで、Ｋは導波路２４ａ，２４ｂ間における結合係数、β１，β２はそれぞれ導波路２４ａ，２４ｂの伝搬係数であり、ａは式（４）に示すように、伝搬定数β１，β２，結合係数Ｋにより定められる定数である。

一般的に、導波路２４ａ，２４ｂの間隔が小さくなるにしたがって結合係数Ｋは大きくなるので、式（３）から、導波路２４ａ，２４ｂの間隔が小さくなるにつれて光の強度Ｐ２が大きくなり、クロストークが生じやすくなることがわかる。特に、伝搬定数β１およびβ２が等しい場合には、光の強度Ｐ２の最大値はＰ０に達し、導波路２４ａ，２４ｂ間のクロストークが一層生じやすくなる。

逆に、伝搬定数β１およびβ２が互いに異なる場合、光の強度Ｐ２の最大値は下記の式（５）のように比較的小さく抑えられる。特に、伝搬定数β１およびβ２の差が大きく、下記の式（６）が成立しているときには、光の強度Ｐ２は下記の式（７）のように小さい値となり、導波路２４ａ，２４ｂ間のクロストークをより抑制できる。

実施の形態２にかかるＡＷＧでは、上述したように、隣り合う導波路の幅に０．２０（μｍ）の差があるため、隣り合う導波路の伝搬定数の間に０．０５０（１／μｍ）の差が生じる。一方、隣り合う導波路間の結合係数Ｋは、０．００１０（１／μｍ）と、別の計算により求まる。したがって、上述した式（６）の条件を満たし、光の強度Ｐ２は式（７）のように小さい値となるので、隣り合う導波路間のクロストークを抑制できる。

以上、実施の形態２にかかるＡＷＧによれば、アレイ導波路２４において隣り合う導波路は互いに幅が異なるように形成されているので、隣り合う導波路の伝搬定数も互いに異なる。これにより、アレイ導波路の小型化にともなって隣り合う導波路の間隔が狭まっても、隣り合う導波路間のクロストークを抑制できる。したがって、小型化と良好な合分波特性とが両立したＡＷＧを提供できる。

［実施の形態３］
続いて、本発明の実施の形態３にかかるＡＷＧについて図面を参照して詳細に説明する。

本発明の実施の形態３にかかるＡＷＧは、図３に示すように、基板１上に形成された、入力導波路２と、第１のスラブ導波路３と、アレイ導波路３４と、第２のスラブ導波路５と、出力導波路６とから構成されている。アレイ導波路３４以外の各構成要素は背景技術と変わるところがないため、背景技術と同一の符号を用い、その詳しい説明は省略する。

アレイ導波路３４は、図３に示すように、円弧状の導波路を複数並べて構成されている。なお、便宜上、図３の拡大図では導波路３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄの４本の導波路を図示しているが、導波路の本数は合分波する光信号の数に応じて任意に選ばれ、５本以上あってもよいことは言うまでもない。また、アレイ導波路３４に含まれる導波路の厚さは各々１．５μｍであり、隣り合う導波路の間隔は約１．０μｍである。

本発明の実施の形態３にかかるＡＷＧのアレイ導波路３４は、アレイ導波路３４に含まれる各導波路の幅が、図３の拡大図に示すように、第１スラブ導波路３および第２スラブ導波路５との接続点の近傍以外でも、その長手方向に沿った位置に応じてｄ１〜ｄ２の範囲内で変化するとともに、隣り合う導波路の近接する領域において、その幅が互いに異なっている。具体的には、導波路３４ａの幅ｄ１の領域に近接する隣の導波路３４ｂの幅はｄ２（ｄ２≠ｄ１）であり、さらに導波路３４ｂの幅ｄ２の領域に近接する隣の導波路３４ｃの幅はｄ１となるように構成されている。なお、各導波路において、幅ｄ１の領域と幅ｄ２の領域との間は、テーパ導波路により接続されてゆるやかに変化するよう構成されている。
ここで、実施の形態３では、ｄ１＝１．１（μｍ）、ｄ２＝１．３（μｍ）であり、導波路の幅がｄ１またはｄ２で一定とする領域の長さは２０μｍとし、これを接続するテーパ導波路の長さも２０μｍとする。

上述の本発明の実施の形態２で説明したように、導波路の伝搬定数は導波路の幅に応じて変化するため、各導波路の幅がその長手方向に沿った位置に応じて変化することによって、各導波路の伝搬定数が位置によって変化し、かつ、隣り合う導波路の近接する領域の幅が互いに異なるように構成することにより、隣り合う導波路の近接する領域の伝搬定数が互いに異なる状態を実現している。

上述のように、実施の形態３にかかるＡＷＧでは、隣り合う導波路の近接する領域の幅に０．２０（μｍ）の差があるため、隣り合う導波路の近接する領域の伝搬定数の間に、０．０５０（１／μｍ）の差が生じる。一方、隣り合う導波路の近接する領域間の結合係数Ｋは０．００１０（１／μｍ）と、別の計算により求まる。したがって、本発明の実施の形態２で用いた式（６）の条件を満たし、光の強度Ｐ２は式（７）のように小さい値となるので、隣り合う導波路の近接する領域間のクロストークを抑制できる。

以上、本発明の実施の形態３にかかるＡＷＧによれば、アレイ導波路３４において隣り合う導波路の近接する領域は互いに幅が異なるように形成されているので、隣り合う導波路の近接する領域の伝搬定数も互いに異なる。これにより、アレイ導波路の小型化にともなって隣り合う導波路の間隔が狭まっても、隣り合う導波路の近接する領域間のクロストークを抑制できる。したがって、小型化と良好な合分波特性とが両立したＡＷＧを提供できる。

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４にかかるＡＷＧについて図面を参照して詳細に説明する。

本発明の実施の形態４にかかるＡＷＧは、図４に示すように、基板１上に形成された、入力導波路２と、第１のスラブ導波路３と、アレイ導波路４４と、第２のスラブ導波路５と、出力導波路６とから構成されている。アレイ導波路４４以外の各構成要素は背景技術として説明した従来のＡＷＧと共通するため、これらについては背景技術と同一の符号を用い、その詳しい説明は省略する。

図４に示すように、アレイ導波路４４に含まれる各導波路はそれぞれ直線部分を有し、アレイ導波路４４は各導波路の直線部分が互いに平行に配列された部分を有している。
このため、アレイ導波路４４を円弧状に形成した場合に比べて小さな領域に形成することができるので、ＡＷＧの小型化に役立てることができる。
この際、実施の形態１〜３で説明した手法を用いることによって、隣り合う導波路間のクロストークを抑制できるので、小型化と良好な合分波特性とが両立したＡＷＧを提供できる。

［実施の形態５］
続いて、本発明の実施の形態５にかかるＡＷＧについて説明する。
本発明の実施の形態５にかかるＡＷＧでは、たとえば、アレイ導波路に含まれる各導波路の幅・厚さを調節することにより、各導波路において、ＴＥ光に対する伝搬定数を全長にわたって積分した値と、ＴＭ光に対する伝搬定数を全長にわたって積分した値とが等しくなるよう構成されている。
アレイ導波路に含まれる各導波路をこのような構成とすることにより、ＡＷＧの合分波特性は偏光に依存しなくなり、ＡＷＧの合分波特性を向上させることができる。

［実施の形態６］
次に、本発明の実施の形態６にかかるＡＷＧについて説明する。
本発明の実施の形態６にかかるＡＷＧでは、アレイ導波路において隣り合う導波路で厚さが互いに異なるよう形成されている。導波路の伝搬定数は、導波路の幅のほか、導波路の厚さによっても変化するので、隣り合う導波路の厚さが互いに異なることによって、隣り合う導波路の伝搬定数も互いに異なることになる。このため、アレイ導波路の小型化にともなって隣り合う導波路の間隔が狭まっても、隣り合う導波路の近接する領域間のクロストークを抑制できる。したがって、小型化と良好な合分波特性とが両立したＡＷＧを提供できる。

なお、上述した実施の形態では、伝搬定数β１，β２と結合定数Ｋとの間で式（６）の条件が成立するときに光の強度Ｐ２が十分に小さくなると判断したが、たとえば、伝搬定数β１およびβ２の差が結合定数Ｋの２倍より大きいときに光の強度Ｐ２が十分に小さくなると判断してもかまわない。あるいは、隣り合う導波路のコアの幅が１０％以上異なるときに光の強度Ｐ２が十分に小さくなると判断してもかまわない。

さらに、上述した実施の形態では、ＡＷＧを例として説明したが、隣り合う導波路の間隔が狭まっても、隣り合う導波路間のクロストークを抑制できるという観点からは、導波路が狭い間隔で並んで構成された他の形態の光学デバイスにも応用できる。

本発明は、ＡＷＧの製造産業などに利用可能である。

１…基板、２…入力導波路、３…第１のスラブ導波路、４…アレイ導波路、４ａ〜４ｄ…導波路、５…第２のスラブ導波路、６…出力導波路、１４…アレイ導波路、１４ａ〜１４ｄ…導波路、２４…アレイ導波路、２４ａ〜２４ｄ…導波路、３４…アレイ導波路、３４ａ〜３４ｄ…導波路、４４…アレイ導波路、４４ａ〜４４ｄ…導波路、１０１…シリコン基板、１０２…石英ガラス層（下部クラッド）、１０３…シリコン細線（コア）、１０３ａ…リブ構造（コア）、１０４…石英ガラス層（上部クラッド）、２０１…シリコン基板、２０２…石英ガラス層（下部クラッド）、２０３…シリコン層、２０３ａ…リブ構造（コア）、２０４…石英ガラス層（上部クラッド）。

Claims

入力導波路と、
この入力導波路の出力側に入力側が接続された第１のスラブ導波路と、
出力導波路と、
この出力導波路の入力側に出力側が接続された第２のスラブ導波路と、
前記第１のスラブ導波路の出力側および第２のスラブ導波路の入力側を互いに接続する複数の導波路からなるアレイ導波路と
を備え、
前記複数の導波路は、隣り合う導波路の伝搬定数が互いに異なる
ことを特徴とするアレイ導波路回折格子。
入力導波路と、
この入力導波路の出力側に入力側が接続された第１のスラブ導波路と、
出力導波路と、
この出力導波路の入力側に出力側が接続された第２のスラブ導波路と、
前記第１のスラブ導波路の出力側および第２のスラブ導波路の入力側を互いに接続する複数の導波路からなるアレイ導波路と
を備え、
前記複数の導波路の隣り合う導波路の近接する領域の伝搬定数が互いに異なる
ことを特徴とするアレイ導波路回折格子。
請求項１または２に記載のアレイ導波路回折格子において、
前記複数の導波路は、それぞれ直線部分を有し、
前記アレイ導波路は、前記複数の導波路の前記直線部分が互いに平行に配列された部分を有する
ことを特徴とするアレイ導波路回折格子。
請求項１〜３のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子において、
前記複数の導波路の各々は、ＴＥ光に対する伝搬定数を全長にわたって積分した値とＴＭ光に対する伝搬定数を全長にわたって積分した値とが等しい
ことを特徴とするアレイ導波路回折格子。
請求項１〜４のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子において、
前記複数の導波路は、隣り合う導波路間の伝搬定数の差が隣り合う導波路間の結合係数の２倍より大きい
ことを特徴とするアレイ導波路回折格子。
請求項１〜５のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子において、
前記複数の導波路は、隣り合う導波路でコアの幅が互いに異なる
ことを特徴とするアレイ導波路回折格子。
請求項６に記載のアレイ導波路回折格子において、
前記複数の導波路は、隣り合う導波路でコアの幅が互いに１０％以上異なる
ことを特徴とするアレイ導波路回折格子。
請求項１〜７のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子において、
前記複数の導波路は、隣り合う導波路でコアの厚さが互いに異なる
ことを特徴とするアレイ導波路回折格子。