JP2013186358A - 波長合分波素子およびそれを用いた光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペクトル平坦性および低クロストークに優れた合分波特性を有し、かつ、小型化にも適した波長合分波素子を提供する。
【解決手段】波長合分波素子１は、一方のアーム導波路にリング共振器を備え、かつ、他方のアーム導波路が遅延導波路となる遅延干渉計２０が多段にカスケード接続されており、該各遅延干渉計におけるアーム導波路間の光路長差およびリング共振器の周回長が、合分波する光信号のチャネル間隔に応じて、多段カスケード接続のステージ毎に異なる値に設定されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、光通信や光インターコネクトなどに利用される波長合分波素子およびそれを用いた光学装置に関する。

近年、大容量インターコネクトに向けた有望な技術として、シリコン（Ｓｉ）フォトニクスが注目を集めている。Ｓｉフォトニクス技術の主な利点は、断面積が数百ｎｍ角であるため、高密度集積が可能になることや、Ｓｉチップ内での波長多重（ＷＤＭ：wavelength division multiplexing）により、光配線１本当りの伝送容量向上が期待できること等が挙げられる。Ｓｉチップ内でＷＤＭ光を送受信するためには、光源、光変調素子および波長合分波素子等のコンポーネントが必要となる。

上記波長合分波素子は、ＷＤＭ光を必要に応じて合波および分波する光デバイスである。Ｓｉチップ内でのＷＤＭ光の送受信を行う場合に波長合分波素子に求められる特性としては、合分波スペクトルの平坦性、低チャネル間偏差および低チャネル間クロストーク等が挙げられる。これらの条件を満たす候補技術として、遅延マッハ・ツェンダ干渉計（ＤＭＺＩ：delayed Mach-Zehnder interferometer）を多段にカスケード接続した波長合分波素子が活発に研究開発されている。

従来の波長合分波素子の一例としては、図１に示すようなＤＭＺＩ型１×８Ｃｈ波長合分波素子が公知である（例えば、非特許文献１参照）。この波長合分波素子は、図１（Ａ）の概略図にあるように、３段ステージのＤＭＺＩで構成されており、一部のＤＭＺＩは内部に±π／２または±π／４の位相制御領域を備えている。また、各ＤＭＺＩの遅延導波路長は４００ＧＨｚのチャネル間隔を満たすように調整されている。このような波長合分波素子では、図１（Ｂ）の合分波スペクトルに示すように、良好な合分波特性が得られるものの、各チャネルＣｈ−１〜Ｃｈ−８に対応した透過帯域のスペクトル形状がガウス関数（Gaussian function）的に定まるため、透過率が最も高くなるピーク部分が丸みを帯びて平坦化していないことや、クロストークが理論的に−１３ｄＢ程度に限定されてしまうことが問題である。

上記問題に対処可能な従来技術の一つとして、図２に示すような干渉計のアーキテクチャーの異なるＤＭＺＩ型１×８Ｃｈ波長合分波素子が報告されている（例えば、非特許文献２参照）。この波長合分波素子は、図２（Ａ）の概略図にあるように、３段ステージのＤＭＺＩのうちの第１および第２ステージについて、光路長差の異なる複数のＤＭＺＩをカスケード接続したものをそれぞれ適用すると共に、各ＤＭＺＩにおける光結合率および位相シフト量を適正化している。これにより、図２（Ｂ）の合分波スペクトルに示すように、各チャネルに対応した透過帯域として、高透過率部分で平坦なスペクトル形状が得られており、合分波特性のスペクトル平坦性を実現できると同時に、クロストークも理論上は−１８ｄＢ程度まで改善できる。

また、上記のような従来の波長合分波素子に関連する技術として、図３（Ａ）の概略図に示すような１段の遅延干渉計について一方のアーム導波路にリング共振器を位置させた光回路素子がある（例えば、特許文献１参照）。この光回路素子では、複数の波長λ_１〜λ_６を含むＷＤＭ光が遅延干渉計の一方の入力ポートに与えられると、一方の出力ポートＰ１から各波長λ_２，λ_４，λ_６の光信号が出力され、他方の出力ポートＰ２から各波長λ_１，λ_３，λ_５の光信号が出力される。図３（Ｂ）は各出力ポートＰ１，Ｐ２に対応した透過スペクトルを示しており、光回路素子は、入力されるＷＤＭ光を２つの出力ポートへ１チャネルおきに振り分けて出力するインターリーバとして機能する。

特開２０００−２９８２２２号公報

Dae Woong Kim et al., "Silicon-on-insulator eight-channel optical multiplexer based on a cascade of asymmetric Mach-Zehnder interferometers", OSA Optics Letters vol.33 no.5, pp.530-532, 2008年3月1日 Folkert Horst, "Silicon Integrated Waveguide Devices for Filtering and Wavelength Demultiplexing", Optical Fiber Communication (OFC), collocated National Fiber Optic Engineers Conference, 2010 Conference on (OFC/NFOEC), OWJ3, 2010年3月21-25日

しかし、上記図２に示したような従来技術による波長合分波素子については、素子全体でのＤＭＺＩの数が上記図１に示した場合よりも必然的に増加するので、素子サイズが増大してしまうという課題がある。また、個々のＤＭＺＩは一対のアーム導波路の前後に光カプラを有しており、該光カプラは光結合率（光分岐比）の調整が必要である。このため、素子全体でのＤＭＺＩ数の増加により、上記光カプラにおける光結合率の調整箇所が非常に多くなってしまうという課題もある。

また、上記図３に示した光回路素子（インターリーバ）に関しては、当該構成のみにより、波長合分波素子としての機能、すなわち、波長の異なる複数の光信号を合波してＷＤＭ光を生成すると共に、ＷＤＭ光を分波して各波長の光信号を生成する機能を実現できない。また、上記光回路素子を一つの単位構成として、これを単にカスケード接続したとしても、所望の合分波スペクトルを得ることは困難である。つまり、リング共振器を備えた遅延干渉計を応用して、スペクトル平坦性および低クロストークに優れた波長合分波素子を実現しようとした場合、合分波する光信号の波長やチャネル間隔等に対応させて、各ステージの遅延干渉計の相対的な設計条件をどのようにして最適化するかが重要な課題となる。

本発明は上記のような従来技術の課題に着目してなされたもので、スペクトル平坦性および低クロストークに優れた合分波特性を有し、かつ、小型化にも適した波長合分波素子それを用いた光学装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の一態様は、多段にカスケード接続された複数の遅延干渉計を備え、波長の異なる複数の光信号を前記複数の遅延干渉計により合波してＷＤＭ光を生成すると共に、ＷＤＭ光を前記複数の遅延干渉計により分波して波長の異なる複数の光信号を生成する波長合分波素子を提供する。この波長合分波素子において、前記複数の遅延干渉計は、それぞれ、前記複数の光信号が入出力される一対の光カプラと、該各光カプラの間を接続する第一のアーム導波路および第二のアーム導波路と、前記第一のアーム導波路の近傍に配置されたループ導波路とを含み、前記第一のアーム導波路が、前記ループ導波路との組み合わせによりリング共振器を構成し、前記第二のアーム導波路が、前記第一のアーム導波路に対して遅延導波路となり、前記各遅延干渉計における前記第一および第二のアーム導波路間の光路長差、並びに、前記各遅延干渉計内にある前記リング共振器の周回長が、前記複数の光信号の波長およびチャネル間隔に応じて、多段カスケード接続のステージ毎に異なる値に設定される。

上記波長合分波素子によれば、一方のアーム導波路にリング共振器を備えた遅延干渉計を多段カスケード接続し、各遅延干渉計における光路長差とリング共振器の周回長をステージ毎に異なる値としたことで、良好なスペクトル平坦性および低クロストークを有する波長合分波特性を実現できると同時に、遅延干渉計の総数を最小限に抑えて素子全体の小型化を図ることが可能である。

従来の波長合分波素子の一例を示す図である。 従来の波長合分波素子の他の例を示す図である。 上記従来の波長合分波素子に関連した光回路素子を示す図である。 本発明による波長合分波素子の一実施形態の構成を示す平面図である。 上記実施形態における第一ステージの遅延干渉計の具体例を示す図である。 上記実施形態における導波路の製造方法の一例を説明するための図である。 図６に関連した他の製造方法を説明するための図である。 上記実施形態におけるリング共振器の光結合率に対する合分波スペクトル特性を示す図である。 方向性結合器の結合特性を説明するための図である。 ＭＭＩカプラの概略構成を示す図である。 上記実施形態において全ての条件を満足したときの合分波特性の一例を示す図である。 上記実施形態においてリング共振器の非共振条件が満たされない場合の合分波特性の劣化を説明するための図である。 上記実施形態における波長合分波特性のスペクトル平坦性および低クロストークを定量的に説明するための図である。 上記実施形態の構成を応用した光送信装置の概略構成を示す平面図である。 上記実施形態の構成を応用した光受信装置の概略構成を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図４は、本発明による波長合分波素子の一実施形態の構成を示す平面図である。
図４において、本実施形態の波長合分波素子１は、基板１０上で多段にカスケード接続された複数の遅延干渉計２０を備える。ここでは、例えば７個の遅延干渉計２０が３段にカスケード接続されている。具体的に、図中で左側に位置する第一ステージの遅延干渉計２０_１には、中央に位置する第二ステージの２つの遅延干渉計２０_２Ａ，２０_２Ｂが接続される。また、第二ステージの遅延干渉計２０_２Ａには、図中で右側に位置する第三ステージの４つの遅延干渉計２０_３Ａ，２０_３Ｂ，２０_３Ｃ，２０_３Ｄうちの遅延干渉計２０_３Ａ，２０_３Ｂが接続され、第二ステージの遅延干渉計２０_２Ｂには、第三ステージの残りの遅延干渉計２０_３Ｃ，２０_３Ｄが接続される。

図５は、第一ステージの遅延干渉計２０_１の具体的な一例を示す図であり、（Ａ）が遅延干渉計２０_１の概略構成を拡大して示した平面図、（Ｂ）が透過スペクトル特性である。図５（Ａ）において、第一ステージの遅延干渉計２０_１は、一対の光カプラ２１，２２と、該各光カプラ２１，２２の間を接続する第一のアーム導波路２３および第二のアーム導波路２４と、第一のアーム導波路２３の近傍に配置されたループ導波路２５とを有する。各光カプラ２１，２２は、５０％の光結合率を有する。第一のアーム導波路２３は、ループ導波路２５との組み合わせによりオールパス型リング共振器を構成する。第二のアーム導波路２４は、第一のアーム導波路２３に対して遅延導波路となっている。つまり、遅延干渉計２０_１は、一方のアーム導波路にリング共振器を備えた遅延マッハ・ツェンダ干渉計（ＤＭＺＩ）の構造を持つ。

上記リング共振器は、その周回長（ループ導波路２５の一周の長さ）Ｌ_Ｍ１がＤＭＺＩにおける光路長差Ｌ_Ｄ１（各アーム導波路２３，２４の光路長の差分）に応じて設定される。このリング共振器の周回長Ｌ_Ｍ１の設定は、ＤＭＺＩの透過スペクトル特性に対して、リング共振器の透過スペクトル特性が非共振条件を満たすように行われる。すなわち、図５（Ｂ）に示すリング共振器の透過スペクトル特性（波線）における非共振波長（一点鎖線）が、ＤＭＺＩの透過スペクトル特性（実線）における各透過帯の中心波長に位置するように、ＤＭＺＩにおける光路長差Ｌ_Ｄ１に応じてリング共振器の周回長Ｌ_Ｍ１が設定される。また、リング共振器は、アーム導波路２３およびループ導波路２５の間の光結合率が８０％以上となるように設定されている。なお、リング共振器の周回長Ｌ_Ｍ１および光結合率の設定については、後で詳しく説明する。

第二ステージの各遅延干渉計２０_２Ａ，２０_２Ｂおよび第三ステージの各遅延干渉計２０_３Ａ〜２０_３Ｄについても、上記図５に示した第一ステージの遅延干渉計２０_１と同様にして、一方のアーム導波路にリング共振器を備えたＤＭＺＩの構造をそれぞれ持つ。以下の説明では、第二ステージの各遅延干渉計２０_２Ａ，２０_２Ｂにおける、光路長差およびリング共振器の周回長をＬ_Ｄ２およびＬ_Ｍ２とすると共に、第三ステージの各遅延干渉計２０_３Ａ〜２０_３Ｄにおける、光路長差およびリング共振器の周回長をＬ_Ｄ３およびＬ_Ｍ３とする（図４参照）。各ステージの遅延干渉計における光路長差Ｌ_Ｄ１〜Ｌ_Ｄ３は、波長合分波素子１により合分波する光信号のチャネル間隔に対応させて設定される。

また、上記図４に示したように、第二ステージの遅延干渉計２０_２Ｂおよび第三ステージの遅延干渉計２０_３Ｂについては、リング共振器を備えた一方のアーム導波路上に、−π／２の位相シフト量を有する位相シフタ２６がそれぞれ設けられている。同様にして、第三ステージの遅延干渉計２０_３Ｃには、＋π／４の位相シフト量を有する位相シフタ２６が設けられ、第三ステージの遅延干渉計２０_３Ｄには、−π／４の位相シフト量を有する位相シフタ２６が設けられている。

ここで、上記のような波長合分波素子１における導波路の製造方法の一例について図６を参照しながら説明する。図６の例では、まず、Ｓｉ基板１０１上のＳｉＯ_２（ＢＯＸ）層１０２およびＳｉコア層１０３（例えば、膜厚Ｈが０．２５μｍ）を有するＳＯＩウェハを用い、光露光プロセスによって光合分岐器素子１の該当領域における導波路ストライプ構造をパターニングする。光半導体導波路パターンは光露光装置のフォトマスクにて規定される。この場合、光露光の代わりに、電子ビーム露光を用いても構わない。

そして、描画されたパターンを例えば反応性イオンエッチングなどの方法でドライエッチングを行い、スラブ高０．０５μｍ程度を有するリブ導波路構造（例えば、導波路幅Ｗが０．４８μｍ）を形成する。その後、導波路ストライプパターンの上部を、蒸着装置などを用い、ＳｉＯ_２膜１０４で被覆すると、本実施形態の波長合分波素子１が完成する。

なお、上記図６ではリブ導波路構造の一例を示したが、本発明における導波路構造はこれに限らず、例えば図７に示すようなチャネル構造であっても差し支えない。この場合、上記リブ導波路構造の製造工程においてスラブ厚を残さずにエッチングを行うことで、チャネル導波路構造を形成することができる。

上記図４に示したような構成の波長合分波素子１では、一定のチャネル間隔で波長配置された複数の光信号を含むＷＤＭ光が第一ステージの遅延干渉計２０_１に与えられると、該ＷＤＭ光が第一乃至第三ステージの各遅延干渉計を伝搬することで波長に応じて分波され、該各波長の光信号が第三ステージの対応する遅延干渉計２０_３Ａ〜２０_３Ｄからそれぞれ出力される。ここでは、第三ステージの遅延干渉計２０_３Ａから出力される各光信号をチャネルＣｈ−１，Ｃｈ−２とし、遅延干渉計２０_３Ｂから出力される各光信号をチャネルＣｈ−３，Ｃｈ−４とし、遅延干渉計２０_３Ｃから出力される各光信号をチャネルＣｈ−５，Ｃｈ−６とし、遅延干渉計２０_３Ｄから出力される各光信号をチャネルＣｈ−７，Ｃｈ−８とする。また、上記ＷＤＭ光の分波とは逆に、各チャネルＣｈ−１〜Ｃｈ−８に該当する光信号が第三ステージの対応する遅延干渉計２０_３Ａ〜２０_３Ｄに与えられると、該各光信号が第三乃至第一ステージの各遅延干渉計を伝搬することで１つに合波されて、第一ステージの遅延干渉計２０_１からＷＤＭ光が出力される。

ここで、第一乃至第三ステージの各遅延干渉計の具体的な設定について詳しく説明する。
本実施形態の波長合分波素子１では、前述したようにＤＭＺＩの構造を持つ各遅延干渉計の透過スペクトル特性に対して、該各遅延干渉計内にあるリング共振器の透過スペクトル特性が非共振条件を満たすことが求められる。第一ステージの遅延干渉計２０_１について非共振条件を考えると、遅延干渉計２０_１における光路長差Ｌ_Ｄ１に対して、リング共振器の周回長Ｌ_Ｍ１は２×Ｌ_Ｄ１若しくはその近傍となる。

具体的な一例として、波長が１．５５μｍ近傍でチャネル間隔が４００ＧＨｚの各光信号を波長合分波素子１で合分波する場合を想定すると、第一ステージの遅延干渉計２０_１における光路長差Ｌ_Ｄ１は約９０μｍとなる。なお、この光路長差Ｌ_Ｄ１の値は、前述の図６および図７に示したＳｉ細線導波路の分散特性を考慮して得られた結果である。この場合の第一ステージの遅延干渉計２０_１内にあるリング共振器の周回長Ｌ_Ｍ１は約１８０μｍとなる。

第二ステージ以降については、ステージを重ねる度に、遅延干渉計の数が２^Ｓ−１（但し、Ｓはステージの数とする）の割合で増加することになる。すなわち、第二ステージにおける遅延干渉計の数は２^２−１＝２となり、第三ステージにおける遅延干渉計の数は２^３−１＝４となる。波長合分波素子を構成する遅延干渉計の総数は２^Ｓ−１であり、本実施形態ではＳ＝３であるので遅延干渉計の総数は７となる。

第一ステージの遅延干渉計２０_１にカスケード接続される第二ステージ以降の遅延干渉計における光路長差は、２^{（１−Ｓ）}×Ｌ_Ｄ１の関係式に従って変化するよう設定すればよい。すなわち、第二ステージの各遅延干渉計２０_２Ａ，２０_２Ｂにおける光路長差Ｌ_Ｄ２は、Ｌ_Ｄ２＝２^{（１−２）}×Ｌ_Ｄ１＝０．５×Ｌ_Ｄ１に設定し、第三ステージの各遅延干渉計２０_３Ａ〜２０_３Ｄにおける光路長差Ｌ_Ｄ３は、Ｌ_Ｄ３＝２^{（１−３）}×Ｌ_Ｄ１＝０．２５×Ｌ_Ｄ１に設定可能である。前述した具体例の想定（波長が１．５５μｍ近傍でチャネル間隔が４００ＧＨｚの各光信号の合分波）では、第二ステージについての光路長差Ｌ_Ｄ２は約４５μｍ、第三ステージについての光路長差Ｌ_Ｄ３は約２２．５μｍとなる。

また、第二ステージ以降の遅延干渉計内にあるリング共振器の周回長は、２^{（２−Ｓ）}×Ｌ_Ｄ１の関係式に従って変化するよう設定すればよい。すなわち、第二ステージについてのリング共振器の周回長Ｌ_Ｍ２は、２^{（２−２）}×Ｌ_Ｄ１＝Ｌ_Ｄ１に設定し、第三ステージについてのリング共振器の周回長Ｌ_Ｍ３は、２^{（２−３）}×Ｌ_Ｄ１＝０．５×Ｌ_Ｄ１に設定が可能である。前述した具体例の想定では、第二ステージについてのリング共振器の周回長Ｌ_Ｍ２は約９０μｍ、第三ステージについてのリング共振器の周回長Ｌ_Ｍ３は約４５μｍとなる。

次に、第二ステージ以降の各遅延干渉計内にあるリング共振器がそれぞれの遅延干渉計に対して非共振条件を満足するためには、第一ステージの遅延干渉計内にあるリング共振器の中心波長（λ_１ｓｔ＝λ_０）に対して、第二ステージの遅延干渉計内にあるリング共振器の中心波長をそれぞれλ_０＋０．５×Δνおよびλ_０−０．５×Δνに設定すればよい。但し、Δνは、合分波する光信号のチャネル間隔とする。第三ステージ以降の遅延干渉計内にあるリング共振器の中心波長については、ステージを重ねる度に、前段ステージの遅延干渉計における中心波長を中心にして、それぞれの隣り合う遅延干渉計における中心波長の差分を２^{（Ｓ−２）}×Δνの関係式に従って変化させればよい。

以下に示す（１）〜（７）式は、第一乃至第三ステージの各遅延干渉計内にあるリング共振器の中心波長を具体的に求めたものである。
第一ステージ：λ_１ｓｔ＝λ_０ …（１）
第二ステージ：λ_{２ｎｄ−Ａ}＝λ_０＋０．５×Δν …（２）
λ_{２ｎｄ−Ｂ}＝λ_０−０．５×Δν …（３）
第三ステージ：λ_{３ｒｄ−Ａ}＝λ_０＋１．５×Δν …（４）
λ_{３ｒｄ−Ｂ}＝λ_０−０．５×Δν …（５）
λ_{３ｒｄ−Ｃ}＝λ_０−１．５×Δν …（６）
λ_{３ｒｄ−Ｄ}＝λ_０＋０．５×Δν …（７）
ここで、λ_{２ｎｄ−Ａ}およびλ_{２ｎｄ−Ｂ}は、第二ステージの各遅延干渉計２０_２Ａ，２０_２Ｂ内にあるリング共振器の中心波長である。また、λ_{３ｒｄ−Ａ}、λ_{３ｒｄ−Ｂ}、λ_{３ｒｄ−Ｃ}およびλ_{３ｒｄ−Ｄ}は、第三ステージの各遅延干渉計２０_３Ａ，２０_３Ｂ，２０_３Ｃおよび２０_３Ｄ内にあるリング共振器の中心波長である。

具体的な一例として、チャネル間隔Δνが４００ＧＨｚの場合を想定すると、第二ステージについての各リング共振器の中心波長は、上記（２）式および（３）式に従って、λ_{２ｎｄ−Ａ}＝λ_０＋２００ＧＨｚおよびλ_{２ｎｄ−Ｂ}＝λ_０−２００ＧＨｚに設定可能である。また、第三ステージについての各リング共振器の中心波長は、上記（４）式〜（７）式に従って、λ_{３ｒｄ−Ａ}＝λ_０＋６００ＧＨｚ、λ_{３ｒｄ−Ｂ}＝λ_０−２００ＧＨｚ、λ_{３ｒｄ−Ｃ}＝λ_０−６００ＧＨｚおよびλ_{３ｒｄ−Ｄ}＝λ_０＋２００ＧＨｚに設定可能である。このように第三ステージにおいて隣り合う遅延干渉計におけるリング共振器間の中心波長の差分はいずれの場合も２×Δν（８００ＧＨｚ）となっており、また、第二ステージのλ_{２ｎｄ−Ａ}およびλ_{２ｎｄ−Ｂ}に対しても、均等な配置（４００ＧＨｚ等間隔）となっている。つまり、各遅延干渉計内にあるリング共振器の中心波長は、当該遅延干渉計の中心波長に対して、リング共振周波数間隔の略半分ずれている。したがって、３段ステージの全ての遅延干渉計内にあるリング共振器は非共振条件を満足する。

なお、各遅延干渉計にて用いるリング共振器の中心波長は以下の方法により調整することができる。通常、リング共振器の中心波長λ_０は、次の（８）式のように定まる。
λ_０＝（Ｎ_ＷＧ×Ｌ_ＭＲＲ）／ｍ …（８）
ここで、Ｎ_ＷＧはループ導波路の実効屈折率、Ｌ_ＭＲＲはリング領域の周回長、ｍはリング共振器の回折次数である。つまり、リング領域にて、Ｎ_ＷＧ或いはＬ_ＭＲＲを調整することにより、中心波長を制御することができる。

また、第一乃至第三ステージの各遅延干渉計内にあるリング共振器については、前述したように各々の光結合率が８０％以上になるように調整する必要がある。これについて詳しく説明すると、スペクトル平坦性および低クロストークに優れた合分波特性を得るためには、遅延干渉計の内部の湾曲した長いアーム導波路２４およびリング共振器を備えた短いアーム導波路２３について、透過帯域内における位相変化のスロープを等しくすることが重要になる。但し、長いアーム導波路２４の場合とは異なり、リング共振器を備えた短いアーム導波路２３の場合、位相変化のスロープが一定でなく、リング共振現象により、周期的に位相変化のスロープが変化する傾向となる。通常、リング共振器の光結合率を８０％以上に設定すると、透過帯域内において、短いアーム導波路２３の位相変化のスロープが、長いアーム導波路２４の位相変化のスロープとマッチングする傾向となるため、良好な合分波特性が期待できる。これに対して、リング共振器の光結合率が８０％を下回って低下するにつれ、上記位相変化のスロープがマッチングしなくなり、その結果、クロストークが増大し、合分波特性が大幅に劣化してしまう。

図８は、遅延干渉計内にあるリング共振器の光結合率に対する合分波スペクトル特性を１つのチャネルについてプロットしたもので、（Ａ）は光結合率が８５％の場合、（Ｂ）は光結合率が３５％の場合を示している。図８（Ａ）および（Ｂ）に示す各特性を比較することにより、リング共振器の光結合率が低下すると、クロストークが顕著に増大し、合分波スペクトル特性が大幅に劣化することが分かる。

ここで、リング共振器の光結合率を８０％以上に増大可能な構成例について説明する。リング共振器の光結合率は、上記図５に示した遅延干渉計の構成において、アーム導波路２３およびループ導波路２５の近接部分で構成される光カプラの結合特性で決まる。この光カプラの構成例としては、方向性結合器や多モード干渉（ＭＭＩ：multimode interference）型カプラが挙げられる。

図９は、前述の図７に示したＳｉ細線チャネル導波路構造を有する方向性結合器の結合特性の一例を示したものである。図９に示すように、一対の導波路が近接する結合領域における導波路の間隔ＧＡＰ_ＤＣが減少するほど、短い結合長で高い光結合率が得られることが分かる。図９の例では、導波路の間隔ＧＡＰ_ＤＣを０．１μｍとした場合（下段のグラフにおける実線）、１３μｍ程度の結合長で８５％以上の光結合率を得ることができる。

一方、ＭＭＩカプラの場合、上記方向性結合器とは動作原理が異なり、ポート間の光結合率を自由に調整することは困難である。但し、ＭＭＩカプラの形状を所定のものに設定することで、例えば７２％および８５％といった離散的な光結合率を得ることは可能である。図１０は、８５％の光結合率が得られるＭＭＩカプラの概略図である。図１０において、例えば、入出力導波路の幅Ｗ_ＩＯを０．５μｍに設定した場合、ＭＭＩ領域の幅Ｗ_ＭＭＩは２．０μｍとなる。また、ＭＭＩ領域の長さＬ_ＭＭＩは、ＭＭＩ領域の屈折率をＮ_ＭＭＩ、光波長をλとして、次の（９）式に示す関係に従う。
Ｌ_ＭＭＩ＝（Ｎ_ＭＭＩ×Ｗ_ＭＭＩ ^２）／λ …（９）

次に、各ステージの遅延干渉計における相対的な位相差の条件について詳しく説明する。
本実施形態の波長合分波素子１において、ＷＤＭ光が波長ごとに振り分けられる機能性は、遅延干渉計による光干渉作用に基づくものである。つまり、多段にカスケード接続された各遅延干渉計における、前述した各ステージの光路長差Ｌ_Ｄ１〜Ｌ_Ｄ３の関係、および（１）式〜（７）式に示したリング共振器の中心波長の関係λ_１ｓｔ〜λ_{３ｒｄ−Ｄ}の関係に加えて、各遅延干渉計間の相対的な位相差が所定の関係を満足することが求められる。

具体的に、第一乃至第三ステージの各遅延干渉計における遅延領域は、次の（１０）式〜（１６）式に示すような位相変化量（単位；ラジアン）を有する必要がある。
第一ステージ：φ_１ｓｔ＝０ …（１０）
第二ステージ：φ_{２ｎｄ−Ａ}＝０ …（１１）
φ_{２ｎｄ−Ｂ}＝＋０．５×π …（１２）
第三ステージ：φ_{３ｒｄ−Ａ}＝０ …（１３）
φ_{３ｒｄ−Ｂ}＝＋０．５×π …（１４）
φ_{３ｒｄ−Ｃ}＝−０．２５×π …（１５）
φ_{３ｒｄ−Ｄ}＝＋０．２５×π …（１６）
ここで、φ_１ｓｔは、第一ステージの遅延干渉計２０_１における遅延領域の適正な位相変化量である。φ_{２ｎｄ−Ａ}およびφ_{２ｎｄ−Ｂ}は、第二ステージの各遅延干渉計２０_２Ａ，２０_２Ｂにおける遅延領域の適正な位相変化量である。φ_{３ｒｄ−Ａ}、φ_{３ｒｄ−Ｂ}、φ_{３ｒｄ−Ｃ}およびφ_{３ｒｄ−Ｄ}は、第三ステージの各遅延干渉計２０_３Ａ，２０_３Ｂ，２０_３Ｃおよび２０_３Ｄにおける遅延領域の適正な位相変化量である。

図１１は、上述した全ての条件を満足する波長合分波素子１における合分波特性の一例を示した図である。ここでは、合分波する光信号のチャネル間隔を４００ＧＨｚに設定している。図１１に示すように、上述の図２（Ｂ）に示した従来の波長合分波素子の場合と比べて、良好なスペクトル平坦性および低クロストークを有する波長合分波特性が得られている。本実施形態の波長合分波素子１は、図２（Ａ）に示した従来構成よりも遅延干渉計の数を減らすことができ、素子全体の小型化にも適している。

なお、本実施形態の波長合分波素子１では、上述した条件のうちのいずれか１つが満たされなくなると合分波特性の劣化が生じる。例えば、各遅延干渉計内にあるリング共振器の非共振条件について考えると、全ての遅延干渉計で非共振条件が満たされた場合に得られる合分波特性は、図１２（Ａ）に示すようなスペクトルとなる。但し、図１２では、合分波特性の変化を分かり易くするために、８チャネルのうちの４チャネルに対応した合分波スペクトルのみをプロットしている。一方、第一ステージの遅延干渉計でのみ非共振条件が満たされ、他の遅延干渉計では非共振条件が満たされていない場合に得られる合分波特性は、図１２（Ｂ）に示すようなスペクトルとなり合分波特性が劣化する。但し、上述した条件のうちで、例えばリング共振器の光結合率が８０％以上の条件を満たしていなくても、図１に示した従来の場合に比べれば波長合分波特性の改善が可能になる場合もある。この場合、図２に示した従来技術のような素子サイズの大型化および調整箇所の増加を回避しつつ、波長合分波特性の改善を図ることが可能である。

ここで、前述した波長合分波特性のスペクトル平坦性および低クロストークについて定量的な説明を加えておく。ここでは、スペクトル平坦性に関し、その性能指数として、ある１つのチャネルの透過帯域における透過率が−１０ｄＢのときの帯域幅に対する、透過率が−１ｄＢのときの帯域幅の比（以下、「シェイプファクタ」と呼ぶ）を定義し、該シェイプファクタを用いて平坦性の度合いを評価することにする。

図１３は、波長合分波素子における１つのチャネル（ここではＣｈ−２）に対応した透過帯域のスペクトル特性を例示しており、（Ａ）が本実施形態の波長合分波素子１の場合、（Ｂ）が図２に示した従来の波長合分波素子の場合、（Ｃ）が図１に示した従来の波長合分波素子の場合にそれぞれ該当する。図１３の例において、シェイプファクタは、（Ａ）０．７３、（ｂ）０．６４および（ｃ）０．３３と見積ることができる。また、クロストーク成分のレベルＸＴは、それぞれ最大で（ａ）−３２ｄＢ、（ｂ）−１８ｄＢおよび（ｃ）−１３ｄＢと見積ることができる。このように本実施形態の波長合分波素子１は、スペクトル平坦性および低クロストークの双方の観点で最も優れていることが分かる。

なお、上述した実施形態では、７個の遅延干渉計を３段にカスケード接続することにより８チャネルの光信号に対応した波長合分波素子の一例について説明したが、本発明における遅延干渉計のカスケード接続の段数は３段に限られるものではなく、合分波の対象となる光信号の最大チャネル数に応じて適宜にカスケード接続の段数を設定することができる。また、波長合分波素子が対応するチャネル間隔の具体例として４００ＧＨｚの場合を説明したが、４００ＧＨｚ以外の任意のチャネル間隔についても、上述した実施形態の場合と同様にして波長合分波素子の各パラメータを適正化することにより対応可能である。

次に、上述した実施形態の構成を応用した各種光学装置について説明する。
図１４は、波長合分波素子１の構成を応用した光送信装置の概略構成を示す平面図である。図１４に示す光送信装置３００は、例えば、互いに異なる波長λ_１〜λ_４の光を発生する光源部３１０と、該光源部３１０からの各波長λ_１〜λ_４の光を変調する光変調部３２０と、該光変調部３２０で変調された各光信号を合波する波長合波部３３０とを備える。

光源部３１０は、例えば、４つのレーザ３１１_１〜３１１_４および４つのＳｉ導波路型フィルタ３１２_１〜３１２_４を有する。各レーザ３１１_１〜３１１_４は、ここでは利得媒質として半導体光増幅器（ＳＯＡ：semiconductor optical amplifier）を用い、該ＳＯＡで増幅された光を対応するＳｉ導波路型フィルタ３１２_１〜３１２_４に与えて発振波長を選択する。各Ｓｉ導波路型フィルタ３１２_１〜３１２_４は、共通基板３０１上に形成されたリング共振器およびブラッグ反射鏡を有している。共通基板３０１は、上述の図４に示した波長合分波素子１における基板１０と同様なＳｉ細線導波路構造（図７または図８参照）を持つものである。各Ｓｉ導波路型フィルタ３１２_１〜３１２_４では、リング共振器およびブラッグ反射鏡の各パラメータを制御することにより、レーザ光の発振波長が選択される。ここでは、Ｓｉ導波路型フィルタ３１２_１〜３１２_４で互いに異なる発振波長λ_１〜λ_４が選択され、該各波長λ_１〜λ_４の発振光がレーザ共振構造の内部に位置する光カプラを介して光変調部３２０に出力される。

光変調部３２０は、例えば、共通基板３０１上に形成された４つのオールパスリング共振器型変調器３２１_１〜３２１_４を有する。この光変調部３２０では、光源部３１０から出力される各波長λ_１〜λ_４のレーザ光が対応する上記変調器３２１_１〜３２１_４でそれぞれ変調され、該各変調光が波長合波部３３０に出力される。

波長合波部３３０は、共通基板３０１上において、一方のアーム導波路にリング共振器を備えたＤＭＺＩの構造を持つ３つの遅延干渉計３３１_１，３３１_２Ａ，３３１_２Ｂがカスケード接続されている。各遅延干渉計３３１_１，３３１_２Ａ，３３１_２Ｂは、上述の図４に示した波長合分波素子１における各遅延干渉計２０_１，２０_２Ａ，２０_２Ｂにそれぞれ対応しており、ここでは、光変調部３２０から出力される、波長λ_１，λ_２の各光信号が遅延干渉計３３１_２Ｂに与えられ、波長λ_３，λ_４の各光信号が遅延干渉計３３１_２Ａに与えられる。波長合波部３３０では、各遅延干渉計３３１_２Ａ，３３１_２Ｂに与えられた波長λ_１〜λ_４の各光信号が一つに合波されてＷＤＭ光が生成され、該ＷＤＭ光が遅延干渉計３３１_１から外部に送信される。

上記のような光送信装置３００では、波長合波部３３０の合波特性が上述の図１１に示した波長合分波素子１の合分波特性と同様にしてスペクトル平坦性および低クロストークに優れるため、光源部３１０から光変調部３２０を介して波長合波部３３０に与えられる各光信号の波長が多少変動しても、良好な合波特性を保つことができる。したがって、光送信装置３００は、良好な多チャネルトランスミッタとして機能することが可能である。

図１５は、波長合分波素子１の構成を応用した光受信装置の概略構成を示す平面図である。図１５に示す光受信装置４００は、例えば、互いに異なる波長λ_１〜λ_４の光信号を含むＷＤＭ光が与えられる波長分波部４１０と、該波長分波部４１０で分波された各波長λ_１〜λ_４の光信号を受光する受光部４２０とを備える。

波長分波部４１０は、共通基板４０１上において、一方のアーム導波路にリング共振器を備えたＤＭＺＩの構造を持つ３つの遅延干渉計４１１_１，４１１_２Ａ，４１１_２Ｂがカスケード接続されている。共通基板４０１および各遅延干渉計４１１_１，４１１_２Ａ，４１１_２Ｂは、上述の図４に示した波長合分波素子１における基板１０および各遅延干渉計２０_１，２０_２Ａ，２０_２Ｂにそれぞれ対応している。波長分波部４１０では、ＷＤＭ光が遅延干渉計４１１_１に与えられ、該ＷＤＭ光が分波されて波長λ_１，λ_２の各光信号が遅延干渉計４１１_２Ａから受光部４２０に出力されると共に、波長λ_３，λ_４の各光信号が遅延干渉計４１１_２Ｂから受光部４２０に出力される。

受光部４２０は、４つの受光器４２１_１〜４２１_４を有しており、波長分波部４１０から出力される各波長λ_１〜λ_４の光信号を対応する上記受光器４２１_１〜４２１_４でそれぞれ検出する。各受光器４２１_１〜４２１_４は、例えば、共通基板（Ｓｉ基板）４０１上にＧｅを結晶成長して形成することができる。通常、Ｓｉ基板上のＧｅ型受光器の場合、１．５〜１．６μｍの波長帯の光信号の検出が可能である。

上記のような光受信装置４００では、波長分波部４１０の分波特性が上述の図１１に示した波長合分波素子１の合分波特性と同様にしてスペクトル平坦性および低クロストークに優れるため、受信したＷＤＭ光に含まれる各光信号の波長が多少変動しても、良好な分波特性を保つことができる。したがって、光受信装置４００は、高効率な多チャネルレシーバとして機能することが可能である。

以上の各実施形態に関して、さらに以下の付記を開示する。

（付記１） 多段にカスケード接続された複数の遅延干渉計を備え、波長の異なる複数の光信号を前記複数の遅延干渉計により合波してＷＤＭ光を生成すると共に、ＷＤＭ光を前記複数の遅延干渉計により分波して波長の異なる複数の光信号を生成する波長合分波素子であって、
前記複数の遅延干渉計は、それぞれ、
前記複数の光信号が入出力される一対の光カプラと、
該各光カプラの間を接続する第一のアーム導波路および第二のアーム導波路と、
前記第一のアーム導波路の近傍に配置されたループ導波路と、を含み、
前記第一のアーム導波路が、前記ループ導波路との組み合わせによりリング共振器を構成し、
前記第二のアーム導波路が、前記第一のアーム導波路に対して遅延導波路となり、
前記各遅延干渉計における前記第一および第二のアーム導波路間の光路長差、並びに、前記各遅延干渉計内にある前記リング共振器の周回長が、前記複数の光信号の波長およびチャネル間隔に応じて、多段カスケード接続のステージ毎に異なる値に設定されることを特徴とする波長合分波素子。

（付記２） 付記１に記載の波長合分波素子であって、
前記各遅延干渉計内にある前記リング共振器の周回長は、当該遅延干渉計の透過スペクトル特性に対して、前記リング共振器の透過スペクトル特性が非共振条件を満たすように設定されることを特徴とする波長合分波素子。

（付記３） 付記２に記載の波長合分波素子であって、
前記多段カスケード接続は、第一ステージに位置する１つの前記遅延干渉計に対して、第二ステージに位置する２つの前記遅延干渉計がカスケード接続され、該第二ステージ以降ステージを重ねる度に、前記遅延干渉計の数が、ステージの段数をＳとして、２^Ｓ−１の割合で増加する接続構成であり、
前記複数の遅延干渉計は、前記多段カスケード接続の第一ステージに位置する遅延干渉計における前記第一および第二のアーム導波路間の光路長差がＬ_Ｄ１であるとき、前記多段カスケード接続の第Ｓステージに位置する遅延干渉計における前記第一および第二のアーム導波路の光路長差が２^{（１−Ｓ）}×Ｌ_Ｄ１に設定されると共に、該第Ｓステージの遅延干渉計内にある前記リング共振器の周回長が２^{（２−Ｓ）}×Ｌ_Ｄ１に設定され、かつ、前記リング共振器の中心波長が当該遅延干渉計の中心波長に対してリング共振周波数間隔の略半分ずれていることを特徴とする波長合分波素子。

（付記４） 付記３に記載の波長合分波素子であって、
前記複数の遅延干渉計は、前記多段カスケード接続の第一ステージに位置する遅延干渉計内にある前記リング共振器の中心波長がλ_０であるとき、第二ステージに位置する各遅延干渉計内にある前記リング共振器の中心波長が、前記複数の光信号のチャネル間隔をΔνとして、λ_０＋０．５×Δνおよびλ_０−０．５×Δνにそれぞれ設定され、第三ステージ以降に位置する各遅延干渉計内にある前記リング共振器の中心波長については、ステージを重ねる度に、前段ステージの遅延干渉計における中心波長を中心にして、それぞれの隣り合う遅延干渉計における中心波長の差分が２^{（Ｓ−２）}×Δνに設定されることを特徴とする波長合分波素子。

（付記５） 付記１〜４のいずれか１つに記載の波長合分波素子であって、
前記各遅延干渉計内にある前記リング共振器は、前記第一のアーム導波路および前記ループ導波路間の光結合率が８０％以上であることを特徴とする波長合分波素子。

（付記６） 付記５に記載の波長合分波素子であって、
前記各遅延干渉計内にある前記リング共振器は、前記第一のアーム導波路および前記ループ導波路間の光結合が、方向性結合器または多モード干渉カプラを介して行われることを特徴とする波長合分波素子。

（付記７） 付記１〜６のいずれか１つに記載の波長合分波素子であって、
前記複数の遅延干渉計は、前記一対の光カプラが５０％の光結合率をそれぞれ有することを特徴とする波長合分波素子。

（付記８） 互いに異なる波長を有する複数の光を発生する光源部と、該光源部からの各波長の光を変調する光変調部と、該光変調部で変調された各光信号を合波してＷＤＭ光を送信する波長合波部と、を備えた光学装置であって、
前記波長合波部が、付記１〜７のいずれか１つに記載の波長合分波素子を含むことを特徴とする光学装置。

（付記９） 付記８に記載の光学装置であって、
前記光源部、前記光変調部および前記波長合波部は、共通のシリコン基板上に形成されることを特徴とする光学装置。

（付記１０） 互いに異なる波長を有する複数の光信号を含むＷＤＭ光を受信して分波する波長分波部と、該波長分波部で分波された各波長の光信号を受光する受光部と、を備えた光学装置であって、
前記波長分波部が、付記１〜７のいずれか１つに記載の波長合分波素子を含むことを特徴とする光学装置。

（付記１１） 付記１０に記載の光学装置であって、
前記波長分波部および前記受光部は、共通のシリコン基板上に形成されることを特徴とする光学装置。

１…波長合分波素子
１０…基板
２０_１，２０_２Ａ，２０_２Ｂ，２０_３Ａ〜２０_３Ｄ…遅延干渉計
２１，２２…光カプラ
２３，２４…アーム導波路
２５…ループ導波路
２６…位相シフタ
１０１…Ｓｉ基板
１０２…ＳｉＯ_２（ＢＯＸ）層
１０３…Ｓｉコア層
１０４…ＳｉＯ_２膜
３００…光送信装置
３０１，４０１…共通基板
３１０…光源部
３１１_１〜３１１_４…レーザ
３１２_１〜３１２_４…Ｓｉ導波路型フィルタ
３２０…光変調部
３２１_１〜３２１_４…オールパスリング共振器型変調器
３３０…波長合波部
３３１_１，３３１_２Ａ，３３１_２Ｂ，４１１_１，４１１_２Ａ，４１１_２Ｂ…遅延干渉計
４００…光受信装置
４１０…波長分波部
４２０…受光部
４２１_１〜４２１_４…受光器
Ｌ_Ｄ１〜Ｌ_Ｄ３…光路長差
Ｌ_Ｍ１〜Ｌ_Ｍ３…周回長

Claims (5)

1. 多段にカスケード接続された複数の遅延干渉計を備え、波長の異なる複数の光信号を前記複数の遅延干渉計により合波してＷＤＭ光を生成すると共に、ＷＤＭ光を前記複数の遅延干渉計により分波して波長の異なる複数の光信号を生成する波長合分波素子であって、
   前記複数の遅延干渉計は、それぞれ、
   前記複数の光信号が入出力される一対の光カプラと、
   該各光カプラの間を接続する第一のアーム導波路および第二のアーム導波路と、
   前記第一のアーム導波路の近傍に配置されたループ導波路と、を含み、
   前記第一のアーム導波路が、前記ループ導波路との組み合わせによりリング共振器を構成し、
   前記第二のアーム導波路が、前記第一のアーム導波路に対して遅延導波路となり、
   前記各遅延干渉計における前記第一および第二のアーム導波路間の光路長差、並びに、前記各遅延干渉計内にある前記リング共振器の周回長が、前記複数の光信号の波長およびチャネル間隔に応じて、多段カスケード接続のステージ毎に異なる値に設定されることを特徴とする波長合分波素子。
2. 請求項１に記載の波長合分波素子であって、
   前記各遅延干渉計内にある前記リング共振器の周回長は、当該遅延干渉計の透過スペクトル特性に対して、前記リング共振器の透過スペクトル特性が非共振条件を満たすように設定されることを特徴とする波長合分波素子。
3. 請求項１または２に記載の波長合分波素子であって、
   前記各遅延干渉計内にある前記リング共振器は、前記第一のアーム導波路および前記ループ導波路間の光結合率が８０％以上であることを特徴とする波長合分波素子。
4. 互いに異なる波長を有する複数の光を発生する光源部と、該光源部からの各波長の光を変調する光変調部と、該光変調部で変調された各光信号を合波してＷＤＭ光を送信する波長合波部と、を備えた光学装置であって、
   前記波長合波部が、請求項１〜３のいずれか１つに記載の波長合分波素子を含むことを特徴とする光学装置。
5. 互いに異なる波長を有する複数の光信号を含むＷＤＭ光を受信して分波する波長分波部と、該波長分波部で分波された各波長の光信号を受光する受光部と、を備えた光学装置であって、
   前記波長分波部が、請求項１〜３のいずれか１つに記載の波長合分波素子を含むことを特徴とする光学装置。