JP2015001626A - 光波長合分波回路 - Google Patents

Abstract

【課題】マッハツェンダ干渉回路とアレイ導波路回折格子とから構成される光波長合分波回路に関して、透過帯域の平坦性と広い透過帯域を実現し、損失の増大を抑制する。
【解決手段】光波長合分波回路は、第１の入出力導波路１０５と、所定の光路長差を有する第１のアーム導波路１０７と第２のアーム導波路１０８、及び後段光カプラ１０９を備えるマッハツェンダ干渉回路と、後段光カプラ１０９に接続された第１のスラブ導波路１０１、所定の光路長差を有する導波路からなるアレイ導波路１０２及び第２のスラブ導波路１０３を備え、マッハツェンダ干渉回路の透過ピークの周期と同一のチャネル間隔を有するアレイ導波路回折格子と、第２のスラブ導波路１０３に接続された少なくとも２本以上の第２の入出力導波路１０４と、を含み、第２のスラブ導波路１０３と前記第２の入出力導波路１０４とを接続する接続部１１０が２次モード以上を励起する形状である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光波長合分波回路に関する。さらに詳しくは、マッハツェンダ干渉回路とアレイ導波路回折格子とから構成される光波長合分波回路に関する。

光通信システムの進展に伴い、リング網やメッシュ網など、多地点を接続しフレキシブルに通信路を切り替えるシステムが構築されている。このような高度なネットワークでは、光信号が電気信号に変換されることなく光信号のまま多地点を通過するため、光波長合分波回路としては、透過スペクトルが広帯域で、高い平坦性を有し、かつ低損失であることが求められている。

また、このような要求を満たす光波長合分波回路として、マッハツェンダ干渉回路（ＭＺＩ）とアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を組み合わせたマッハツェンダ干渉回路同期型アレイ導波路回折格子（ＭＺＩ同期型ＡＷＧ）の光波長合分波回路が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

図２１は、従来型のＭＺＩ同期型ＡＷＧの光波長合分波回路３００の構成を示す平面図である。図２１に示すように、従来の光波長合分波回路３００のＡＷＧは、第１のスラブ導波路３０１と、複数本の導波路を有するアレイ導波路３０２と第２のスラブ導波路３０３と、第２の入出力導波路３０４で構成されている。ＡＷＧと同期するＭＺＩは、前段光カプラ３０６、ＡＷＧのチャネル間隔と透過ピークの周期が同一になるように光路長が異なる第１のアーム導波路３０７及び第２のアーム導波路３０８、及び後段光カプラ３０９を備える。

また、従来型のＭＺＩ同期型ＡＷＧの光波長合分波回路３００にあっては、第２のスラブ導波路３０３と第２の入出力導波路３０４との間に導波路となる直線テーパ形状の接続部３１０を配設していた。図２２は、接続部３１０となる直線テーパ形状周辺を示した概略図である。

特開平８−６９０２１号公報

しかしながら、前述したように、従来型のＭＺＩ同期型ＡＷＧの光波長合分波回路では、第２の入出力導波路３０４と第２のスラブ導波路３０３の接続部分３１０には直線テーパ導波路が設けられているため、より広い透過帯域を実現しようとすると、透過帯域の平坦性が崩れ、損失も増大するという問題があった。

本発明は、前記の課題に鑑みてなされたものであり、マッハツェンダ干渉回路とアレイ導波路回折格子とから構成される光波長合分波回路に関して、広い透過帯域を実現するとともに、透過帯域の平坦性の喪失やそれによる損失の増大を抑制することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の光波長合分波回路は、第１の入出力導波路と、前記第１の入出力導波路に接続された前段光カプラ、前記前段光カプラに接続され所定の光路長差を有する第１のアーム導波路及び第２のアーム導波路、及び前記第１のアーム導波路及び前記第２のアーム導波路に接続された後段光カプラを備えるマッハツェンダ干渉回路と、前記後段光カプラに接続された第１のスラブ導波路、前記スラブ導波路に接続され所定の光路長差を有する導波路からなるアレイ導波路及び前記アレイ導波路に接続された第２のスラブ導波路を備え、前記マッハツェンダ干渉回路の透過ピークの周期と同一のチャネル間隔を有するアレイ導波路回折格子と、前記第２のスラブ導波路に接続された少なくとも２本以上の第２の入出力導波路と、を含み、前記第２のスラブ導波路と前記第２の入出力導波路とを接続する接続部が２次モード以上を励起する形状であることを特徴とする。

本発明の光波長合分波回路は、前述した本発明において、前記接続部の形状は、前記第２のスラブ導波路との接続位置からの長さをＹ、前記第２の入出力導波路との接続位置における幅をＷ_１、前記第２のスラブ導波路との接続位置における幅をＷ_２、前記第２のスラブ導波路との接続位置からの距離ｙの位置における幅をｗとすると、正実数γ及び正実数εを用いて、下記式（１）で表される一般化スーパー楕円関数形状であってもよい。接続部の形状を式（１）で表される一般化スーパー楕円関数形状とすることにより、広い透過帯域の実現や、透過帯域の平坦性の喪失やそれによる損失の増大の抑制を効率よく実現することができる。

本発明の光波長合分波回路は、前述した本発明において、前記接続部の形状は、前記第２の入出力導波路との接続位置における幅をＷ_１、前記第２のスラブ導波路との接続位置から前記第２の入出力導波路との接続位置までの長さをＹ、Ａを係数、前記第２のスラブ導波路との接続位置からの長さｙの位置における幅をｗとすると、下記式（２）で表されるパラボラ形状であってもよい。接続部の形状を式（２）で表されるパラボラ形状とすることにより、広い透過帯域の実現や、透過帯域の平坦性の喪失やそれによる損失の増大の抑制を効率よく実現することができる。

なお、式（２）中、０≧ｙ≧−Ｙであり、Ａ＞０である。

本発明の光波長合分波回路は、前述した本発明において、前記接続部の形状は、前記第２のスラブ導波路との接続位置からの長さをＹとし、前記第２のスラブ導波路との接続位置の幅Ｗ_２が、前記第２の入出力導波路との接続位置まで一定であるマルチモード伝搬可能な定幅導波路形状であってもよい。接続部の形状をマルチモード伝搬可能な定幅導波路形状とすることにより、広い透過帯域の実現や、透過帯域の平坦性の喪失やそれによる損失の増大の抑制を効率よく実現することができる。

本発明の光波長合分波回路は、前述した本発明において、前記接続部の形状は、前記第２のスラブ導波路との接続位置からの長さをＹ、前記第２の入出力導波路との接続位置における幅をＷ_１、前記第２のスラブ導波路との接続位置における幅をＷ_２、指数関数の形状を与えるパラメータａ、任意の長さｙにおける指数関数テーパの幅をｗとすると、下記式（３）で表される指数関数テーパ形状であってもよい。接続部の形状を式（３）で表される指数関数テーパ形状とすることにより、広い透過帯域の実現や、透過帯域の平坦性の喪失やそれによる損失の増大の抑制を効率よく実現することができる。

なお、式（３）中、ａは高次モードの励起を調整することができる指数関数の形状を与えるパラメータである。ａはＷ_１、Ｗ_２、が固定されていても、高次モードの励起率を変化させることができる。

本発明の光波長合分波回路は、前述した本発明において、前記接続部の形状は、パラボラ形状を有するパラボラ形状部と、前記パラボラ形状部と繋がり、幅が前記第２のスラブ導波路との接続位置における幅から一定とされる、マルチモード伝搬可能な導波路となる幅一定部からなり、前記パラボラ形状部の長さをＹ、前記幅一定部の長さをＹ_０、前記パラボラ形状部と前記第２の入出力導波路との接続位置における幅をＷ_１、前記幅一定部と前記第２のスラブ導波路との接続位置における幅をＷ_２、前記パラボラ形状部における任意の長さｙにおける前記パラボラ形状部の幅をｗとすると、下記式（４）で表される形状であってもよい。接続部の形状を式（４）で表されるパラボラ形状を有するパラボラ形状部と、マルチモード伝搬可能な導波路となる幅一定部からなる形状（パラボラ形状部と幅一定部と接続した形状）とすることにより、広い透過帯域の実現や、透過帯域の平坦性の喪失やそれによる損失の増大の抑制を効率よく実現することができる。

本発明の光波長合分波回路は、前述した本発明において、前記接続部の形状は、前記第２の入出力導波路の中心線を延長した線に対して非対称な形状であってもよい。接続部の形状を前記第２の入出力導波路の中心線を延長した線に対して非対称な形状とすることにより、奇モードの励起を促すことになり、また、その奇モードによって生じる非対称な位相分布により、作製誤差によって生じた、アレイ導波路における位相誤差分布を相殺することで、透過帯域の平坦性をより安定的に実現可能とすることができる。

本発明の光波長合分波回路は、前述した本発明において、前記第１のアーム導波路及び前記第２のアーム導波路の少なくとも一方と、前記第１のスラブ導波路に温度補償材料が充填された溝が形成されていてもよい。第１のスラブ導波路に溝を形成し温度補償材料を充填することによってＡＷＧの透過波長温度依存性の補償を行い、ＭＺＩの第１のアーム導波路及び第２のアーム導波路の少なくとも一方に溝を形成し温度補償材料を充填することによってＭＺＩの透過波長温度依存性の補償を行う、アサーマル機能を備えた光波長合分波回路となる。

本発明の光波長合分波回路は、マッハツェンダ干渉回路とアレイ導波路回折格子とから構成され、第２のスラブ導波路と第２の入出力導波路とを接続する接続部が２次モード以上を励起する形状であるため、広い透過帯域を実現することができるとともに、透過帯域の平坦性の喪失やそれによる損失の増大を抑制することが可能な光波長合分波回路とすることができる。

実施形態１に係る光波長合分波回路を示した平面図である。 実施形態１に係る光波長合分波回路における第２のスラブ導波路と第２の入出力導波路との接続部周辺の部分拡大図である。 接続部の形状である一般化スーパー楕円関数形状を示した説明図である。 方向性結合器終端における周期的な光フィールド分布を模式的に表した図である。 従来型の光波長合分波回路における方向性結合器終端での周期的な光フィールド分布（点線）及び直線テーパ形状接続部３１０の接続界面に励起される光フィールド分布（実線）を模式的に表した図である。 実施形態１の光波長合分波回路の入出力導波路における光フィールド分布を示した図である。 実施形態１の光波長合分波回路における方向性結合器終端での周期的な光フィールド分布（点線）及び一般化スーパー楕円関数形状接続部１１０の接続界面に励起される光フィールド分布（実線）を模式的に表した図である。 ＤＣ Ｐｉｔｃｈについての説明図である。 従来型の光波長合分波回路における透過スペクトル方向性結合器のピッチ依存性を示した図である。 従来型の光波長合分波回路における３ｄＢバンド幅とＤｉｐの方向性結合器のピッチ依存性を示した図である。 実施形態１の光波長合分波回路における透過スペクトル２次モード励起率依存性を示した図である。 実施形態１の光波長合分波回路における３ｄＢバンド幅とＤｉｐの２次モード励起率依存性を示した図である。 接続部の形状であるパラボラ形状を示した説明図である。 接続部の形状であるマルチモード伝搬可能な導波路形状を示した説明図である。 接続部の形状である指数関数テーパ形状を示した説明図である。 接続部の形状であるパラボラ形状部と幅一定部と接続した形状を示した説明図である。 実施形態２に係る光波長合分波回路を示した平面図である。 図１７のＡ−Ａ断面図である。 図１７のＢ−Ｂ断面図である。 本発明に係る光波長合分波回路が備える接続部の他の形状を示した説明図である。 従来型のＭＺＩ同期型ＡＷＧの光波長合分波回路の構成を示す平面図である。 接続部となる直線テーパ形状周辺を示した概略図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の一形態であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る光波長合分波回路１００の平面図である。実施形態１に係る光波長合分波回路１００は、石英系ガラス等から構成されるマッハツェンダ干渉回路とアレイ導波路回折格子とから構成されている。具体的には、第１の入出力導波路１０５と、第１の入出力導波路１０５に接続された前段光カプラ１０６と、前段光カプラ１０６に接続され所定の光路長差を有する第１のアーム導波路１０７及び第２のアーム導波路１０８と、第１のアーム導波路１０７及び第２のアーム導波路１０８に接続された後段光カプラ１０９を備えたマッハツェンダ干渉回路と、方向性結合器である後段光カプラに接続された第１のスラブ導波路１０１、スラブ導波路に接続され所定の光路長差を有する導波路からなるアレイ導波路１０２、及びアレイ導波路１０２に接続された第２のスラブ導波路１０３を備え、マッハツェンダ干渉回路の透過ピークの周期と同一のチャネル間隔を有するアレイ導波路回折格子と、第２のスラブ導波路１０３に接続された少なくとも２本以上の第２の入出力導波路１０４と、を基本構成として含んでいる。

図２は、実施形態１に係る光波長合分波回路１００における第２のスラブ導波路１０３と第２の入出力導波路１０４との接続部１１０周辺の部分拡大図である。実施形態１に係る光波長合分波回路１００は、第２のスラブ導波路１０３と第２の入出力導波路１０４とを接続する接続部１１０が、第２のスラブ導波路１０３との接続位置１１３、及び第２の入出力導波路１０４との接続位置１１４を介して配設されている。接続部１１０は、第２のスラブ導波路１０３と第２の入出力導波路１０４との間に、第２のスラブ導波路１０３、第２の入出力導波路１０４を接続するために設けられる導波路となる。

実施形態１の光波長合分波回路１００は、第２のスラブ導波路１０３と第２の入出力導波路１０４とを接続する接続部１１０が２次モード以上を励起する形状である。接続部１１０として、例えば、図３に示した一般化スーパー楕円関数形状を採用することができる。

図３は、接続部１１０の形状である一般化スーパー楕円関数形状を示した説明図である。図３に示すように、実施形態１に係る光波長合分波回路１００で、第２のスラブ導波路１０３と第２の入出力導波路１０４との間に配設される接続部１１０を一般化スーパー楕円関数形状とした場合にあっては、接続部１１０は、第２のスラブ導波路１０３との接続位置１１３からの長さをＹ、第２の入出力導波路１０４との接続位置１１４における幅をＷ_１、第２のスラブ導波路１０３との接続位置１１３における幅をＷ_２、第２のスラブ導波路１０３との接続位置１１３からの距離ｙの位置における幅をｗとすると、正実数γ及び正実数εを用いて、下記式（５）で表されるものである。

なお、図３にあっては、第２のスラブ導波路１０３から離れる方向をｙ軸、接続部１１０の幅方向をｘ軸とし、接続部１１０と第２のスラブ導波路１０３との接続位置１１３をｙ＝０としている。また、図３に示す一般化スーパー楕円関数形状からなる接続部１１０は、ｙ軸（第２の入出力導波路１０４の中心線を延長した線）に対して対称な形状を有している。なお、図３では、γ及びεについて、γ＝１．６、ε＝１．７を適用している。

後段光カプラ１０９である方向性結合器における２つの導波路間で光フィールド分布の中心位置が変化すると、第１のスラブ導波路１０１への光波の入射位置が変化し、各アレイ導波路までの光路長が変化する。これにより、アレイ導波路１０２の隣接導波路間の光路長差が変化しなくても、光波長分波回路全体での光路長差が変化し、第２のスラブ導波路１０３の終端で集光する光の位置が変化する。したがって、第２のスラブ導波路１０３の終端で集光する光波の位置は、マッハツェンダ干渉回路の第１のアーム導波路１０７と第２のアーム導波路１０８の光路長差により調整できる。すなわち、ある波長範囲において、後段光カプラ１０９である方向性結合器の終端で発生する光フィールド分布の中心位置変化と、第２のスラブ導波路１０３の終端で集光する光の位置変化が同期するように設定できる（マッハツェンダ干渉回路同期型アレイ導波路回折格子）。

図１に示すような、マッハツェンダ干渉回路（ＭＺＩ）とアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を組み合わせたマッハツェンダ干渉回路同期型アレイ導波路回折格子（ＭＺＩ同期型ＡＷＧ）の光波長合分波回路１００にあって、入射光は、ＭＺＩにおける後段光カプラ１０９である方向性結合器において、近接して配置された２つの導波路間で干渉し、その位相差、即ち、波長に応じて２つの導波路の間でパワーが分配される。そのため、後段光カプラ１０９である方向性結合器が第１のスラブ導波路１０１に接続する終端で集光する光波の位置が、その位相差、即ち、波長に応じて２つの導波路の間で周期的に変化することになる。

また、ＭＺＩ同期型ＡＷＧは、ＭＺＩの第１のアーム導波路１０７及び第２のアーム導波路１０８の光路長差を、ＭＺＩの透過ピークの周期とＡＷＧのチャネル間隔とが一致するように、さらに、ＭＺＩとＡＷＧの透過周波数の中心値が一致するように調整する。このように調整すると、後段光カプラ１０９である方向性結合器終端で発生する光フィールド分布の中心位置変化と、第２のスラブ導波路１０３の終端で集光する光の位置変化が同期する。

図４は、方向性結合器終端における周期的な光フィールド分布を模式的に表した図である。図４の横軸方向は、方向性結合器終端と第１のスラブ導波路１０１との接続部での光フィールド分布の幅方向の位置を表す。図４（ａ）は左側の導波路に１００％出力される場合、図４（ｂ）は左右の導波路に５０％ずつ出力される場合、図４（ｃ）は右側の導波路に１００％出力される場合、をそれぞれ示している。なお。図４中、一点鎖線は方向性結合器の中心部分を表す。

方向性結合器の終端で発生する光フィールド分布の中心位置変化と第２のスラブ導波路１０３の終端で集光する光の位置変化とは同期しているため、第２の入出力導波路１０４の透過スペクトルは、光波長合分波回路１００の第２のスラブ導波路１０３と第２の入出力導波路１０４との接続界面に励起される光フィールド分布と、後段光カプラ１０９と第１のスラブ導波路１０１との接続界面に励起される光フィールド分布のパワーオーバーラップ積分となる。したがって、波長に応じて周期的に変化する方向性結合器終端の光フィールド分布と第２の入出力導波路１０４終端の光フィールド分布のミスマッチを小さくできれば、広い透過帯域で、平坦性が高く、低損失の光波長合分波回路１００を実現することができることになる。

従来型の光波長合分波回路３００（以下、単に「従来型の光波長合分波回路３００」とする場合もある。）は、第２のスラブ導波路１０３と第２の入出力導波路１０４との接続部１１０の形状として直線テーパ形状を採用している（図２１）。図５は、従来型の光波長合分波回路３００における、直線テーパ形状接続部３１０に励起される光フィールド分布（実線）と第２のスラブ導波路３０３の終端で集光する光フィールド分布（点線）を示している。図５の横軸方向は、第２のスラブ導波路３０３と第２の入出力導波路３０４との接続部３１０での幅方向の位置を表す。図５（ａ）は第１のアーム導波路３０７に１００％出力される場合、図５（ｂ）は第１及び第２のアーム導波路に５０％ずつ出力される場合、図５（ｃ）は第２のアーム導波路３０８に１００％出力される場合、をそれぞれ示している。

従来型の光波長合分波回路３００では、第２のスラブ導波路３０３に接続する第２の入出力導波路３０４の接続部３１０は直線テーパ形状（図２２参照）であり、基底モードの光フィールド分布（実線）となり、図５に示すように、第２のスラブ導波路３０３の終端で集光する光フィールド分布（点線）との重なりは小さくなる。このような従来型の光波長合分波回路３００では、広い透過帯域で平坦性が高く、かつ低損失の光波長合分波回路とすることは困難である。

図６は、実施形態１の光波長合分波回路１００の入出力導波路における光フィールド分布を示した図である。実施形態１の光波長合分波回路１００は、第２のスラブ導波路１０３と第２の入出力導波路１０４との接続部１１０の形状が、２次モード以上が励起できる形状である一般化スーパー楕円関数形状であるため、図６に示すように、入出力導波路終端における光フィールド分布は、基底モードと２次モードが合わさった双峰性の分布となる。

図７は、実施形態１の光波長合分波回路１００における第２のスラブ導波路１０３の終端で集光する周期的な光フィールド分布（点線）及び一般化スーパー楕円関数形状接続部１１０の接続界面に励起される光フィールド分布（実線）を模式的に表した図である。図７の横軸方向は、第２のスラブ導波路１０３と第２の入出力導波路１０４との接続部１１０での幅方向の位置を表す。図７（ａ）は方向性結合器の左側の導波路に１００％出力される場合、図７（ｂ）は左右の導波路に５０％ずつ出力される場合、図７（ｃ）は右側の導波路に１００％出力される場合、をそれぞれ示している。実施形態１の光波長合分波回路１００にあっては、第２のスラブ導波路１０３と第２の入出力導波路１０４との接続部１１０の形状として一般化スーパー楕円関数形状を採用することにより、第２のスラブ導波路１０３の末端で周期的に変化する光フィールド分布の変化に対しても、図７に示すように、図５に示した従来型の光波長合分波回路３００の結果と比較しても、第２のスラブ導波路１０３の終端で集光する光フィールド分布とのオーバーラップ部分（重なり部分）が大きくなる。よって、広い透過帯域で、平坦性が高く、低損失が実現できる光波長合分波回路となる。図７（ａ）、図７（ｂ）及び図７（ｃ）において、重なっている部分が透過パワーに対応する。重なりが多い程、透過パワーが大きくなる。一方、図７（ａ）、図７（ｂ）及び図７（ｃ）で重なり部分の変化が少ないほど、透過帯域が平坦になる。

次に、方向性結合器の終端で発生する光フィールド分布の中心位置変化と第２のスラブ導波路１０３の終端で集光する光の位置変化とは同期しているため、オーバーラップ積分から導出される透過スペクトルを方向性結合器の終端で発生する光フィールド分布を変化させて計算を行った。方向性結合器の２本の導波路９０１、９０２の中心間距離（ＤＣ Ｐｉｔｃｈ：ＤＣピッチ）を大きくし透過帯域を広げた場合の透過スペクトルと３ｄＢバンド幅とＤｉｐ（窪み）のＤＣピッチ依存性を確認した結果について説明する。図８は、ＤＣピッチについての説明図であり、図８に示すように、「ＤＣ Ｐｉｔｃｈ（ＤＣピッチ）」とは、任意の２本の導波路９０１、９０２の中心間距離を指すものである。

図９は、従来型の光波長合分波回路３００における透過スペクトルの方向性結合器のピッチ依存性を示した図である。図９の横軸は相対的な波長を表し、縦軸は損失を表す。図１０は、従来型の光波長合分波回路３００における３ｄＢバンド幅とＤｉｐの方向性結合器のピッチ依存性を示した図である。図１０の横軸は図８でいうＤＣピッチを表し、左縦軸は３ｄＢバンド幅を表し、右縦軸は図９におけるスペクトル中央のＤｉｐ（窪み）量を表す。図９及び図１０において、「ｓｔａｎｄａｒｄ」とは、相対的なＤＣピッチに対して、いずれかの特定の幅とした基準値をいう。

図９及び図１０は、従来型の光波長合分波回路３００について、方向性結合器の２本の導波路９０１、９０２のＤＣピッチを大きくして、透過帯域を広げた場合の透過スペクトルと３ｄＢバンド幅とＤｉｐのＤＣピッチ依存性を示している。図９及び図１０に示すように、従来型の光波長合分波回路３００にあって、方向性結合器のＤＣピッチをＳｔａｎｄａｒｄから広げることによって３ｄＢバンド幅が広がり広帯域になるが、それと同時にＤｉｐ量が大きくなってしまい平坦性が失われる。

一方、図１１は、実施形態１の光波長合分波回路１００における透過スペクトル２次モード励起率依存性を示した図である。図１２は、実施形態１の光波長合分波回路１００における３ｄＢバンド幅とＤｉｐの２次モード励起率依存性を示した図である。

図１１及び図１２は、実施形態１に係る光波長合分波回路１００について、ＤＣピッチを大きくするとともに、Ｄｉｐが０．５ｄＢ程度になるように第２の入出力導波路の接続部１１０の２次モードの励起率を調整した結果を示したものである。

実施形態１の光波長合分波回路１００のように、接続部１１０として２次元モードを励起する一般化スーパー楕円関数形状を備える場合には、ＤＣピッチを大きくするとともに２次モードの励起率を増やすと、帯域（３ｄＢバンド幅）が広がり、Ｄｉｐはほとんど変化しないことになる。すなわち、帯域を８ＧＨｚ増大させても、平坦性は低下せず、損失も抑制できることがわかる。前述したように、従来型の光波長合分波回路３００では帯域を拡げると平坦性が損なわれ、損失の増大が避けられなかった。実施形態１の光波長合分波回路１００では、帯域を広げても、高い平坦性と低損失が実現できることが分かる。

なお、実施形態１に係る光波長合分波回路１００を構成する接続部１１０としては、式（１）で表される前述した一般化スーパー楕円関数形状のほか、以下のパラボラ形状、マルチモード伝搬可能な導波路形状、指数関数テーパ形状、パラボラ形状を有するパラボラ形状部１１５と、マルチモード伝搬可能な導波路となる幅一定部１１６からなる形状等を２次モード以上が励起できる形状として採用することができる。これらの形状は、一般化スーパー楕円関数形状と同様に、２次モード以上が励起できる接続部１１０となる。

なお、図１３から図１７にあっては、図３と同様、第２のスラブ導波路１０３から離れる方向をｙ軸、接続部１１０の幅方向をｘ軸とし、接続部１１０と第２のスラブ導波路１０３との接続位置１１３をｙ＝０としている。また、図３に示す一般化スーパー楕円関数形状からなる接続部１１０は、ｙ軸（第２の入出力導波路１０４の中心線を延長した線）に対して対称な形状を有している。

（パラボラ形状）
図１３は、接続部１１０の形状であるパラボラ形状を示した説明図である。図１３に示すように、実施形態１に係る光波長合分波回路１００で、接続部１１０をパラボラ形状とした場合にあっては、接続部１１０の形状は、第２の入出力導波路１０４との接続位置１１４における幅をＷ_１、第２のスラブ導波路１０３との接続位置１１３から第２の入出力導波路との接続位置１１４までの長さをＹ、Ａを係数、第２のスラブ導波路との接続位置１１３からの長さｙの位置における幅をｗとすると、下記式（６）で表されることになる。

なお、式（６）中、０≧ｙ≧−Ｙであり、Ａ＞０である。

（マルチモード伝搬可能な定幅導波路形状）
図１４は、接続部１１０の形状であるマルチモード伝搬可能な定幅導波路形状を示した説明図である。図１４に示すように、実施形態１に係る光波長合分波回路１００で、接続部１１０をマルチモード伝搬可能な定幅導波路形状とした場合にあっては、接続部１１０の形状は、第２のスラブ導波路１０３との接続位置１１３からの長さをＹとし、第２のスラブ導波路１０３との接続位置１１３の幅Ｗ_２が、第２の入出力導波路１０４との接続位置１１４まで一定な形状となる。なお、図１４中、Ｗ_１は、第２の入出力導波路１０４との接続位置１１４における第２の入出力導波路１０４の幅である。

（指数関数テーパ形状）
図１５は、接続部１１０の形状である指数関数テーパ形状を示した説明図である。図１５に示すように、実施形態１に係る光波長合分波回路１００で、接続部１１０を指数関数テーパ形状とした場合にあっては、接続部１１０の形状は、第２のスラブ導波路１０３との接続位置１１３からの長さをＹ、第２の入出力導波路１０４との接続位置１１４における幅をＷ_１、第２のスラブ導波路１０３との接続位置１１３における幅をＷ_２、指数関数の形状を与えるパラメータａ、任意の長さｙにおける指数関数テーパの幅をｗとすると、下記式（７）で表されることになる。

なお、式（７）中、ａは高次モードの励起を調整することができる指数関数の形状を与えるパラメータである。

（パラボラ形状部と幅一定部と接続した形状）
図１６は、接続部１１０の形状であるパラボラ形状部１１５と幅一定部１１６と接続した形状を示した説明図である。図１６に示すように、実施形態１に係る光波長合分波回路１００で、接続部１１０をパラボラ形状部１１５と幅一定部１１６と接続した形状とした場合にあっては、接続部１１０の形状は、パラボラ形状を有するパラボラ形状部１１５と、パラボラ形状部１１５と繋がり、幅が第２のスラブ導波路１０３との接続位置１１３における幅から一定とされる、マルチモード伝搬可能な導波路となる幅一定部１１６からなる。パラボラ形状部１１５の長さをＹ、幅一定部１１６の長さをＹ_０、パラボラ形状部１１５と第２の入出力導波路１０４との接続位置１１４における幅をＷ_１、幅一定部１１６と第２のスラブ導波路１０３との接続位置１１３における幅をＷ_２、パラボラ形状部１１５における任意の長さｙにおけるパラボラ形状部１１５の幅をｗとすると、下記式（８）で表されることになる。

以上説明した実施形態１に係る光波長合分波回路１００は、マッハツェンダ干渉回路とアレイ導波路回折格子とから構成され、第２のスラブ導波路１０３と第２の入出力導波路１０４とを接続する接続部１１０が２次モード以上を励起する形状であるため、広い透過帯域を実現することができる。さらに、透過帯域の平坦性の喪失やそれによる損失の増大を抑制することが可能な光波長合分波回路１００とすることができる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２について図面を用いて説明する。図１７は、実施形態２に係る光波長合分波回路１００を示した平面図、図１８は、図１７のＡ−Ａ断面図、図１９は、図１７のＢ−Ｂ断面図、をそれぞれ示す。

図１７は、図１に示した光波長合分波回路１００に対して、第１のスラブ導波路１０１、及び第１のアーム導波路１０７に温度補償材料１１７が充填された溝１１１、１１２が形成されている構成となっている。実施形態２の光波長合分波回路１００では、図１で提案された光波長合分波回路１００の透過波長の温度依存性を補償するために、第１のスラブ導波路１０１に溝１１１を形成し、温度補償材料１１７を充填することによってＡＷＧの透過波長温度依存性の補償を行う。ＭＺＩの第１のアーム導波路１０７及び第２のアーム導波路１０８の少なくとも一方（実施形態２では第１のアーム導波路１０７）に溝１１２を形成し、溝１１２に温度補償材料１１７を充填することによってＭＺＩの透過波長温度依存性の補償を行うようにしているものである。

図１８は、第１のスラブ導波路１０１に形成された溝１１１周辺の断面図を示したものである。溝１１１はシリコン基板１２１上の導波路コア１２２及びクラッド１２３の一部を取り除くように形成されており、導波路コア１２２を分断している。また、図１９は、第１のアーム導波路１０７に形成された溝１１２周辺の断面図を示したものである。前記した第１のスラブ導波路１０１と同様に、溝１１２はシリコン基板１２１上の導波路コア１２２及びクラッド１２３の一部を取り除くように形成されており、導波路コア１２２を分断している。形成された溝１１１、１１２に対して温度補償材料１１７が充填されている。

ＡＷＧやＭＺＩは、合分波される光の透過波長に温度依存性を有する。これは、ＡＷＧ等を構成する石英系ガラス導波路の実効屈折率が温度依存性を有するからである。透過波長の温度依存性を低減したＡＷＧやＭＺＩ（温度無依存ＡＷＧ（ＭＺＩ）、あるいはアサーマルＡＷＧ（ＭＺＩ））は、ＡＷＧ等の内部の各光経路、例えば、ＡＷＧであればスラブ導波路等において、光波の進行軸に交差するように溝１１１、１１２を形成し、その溝１１１、１１２に温度補償材料１１７（導波路の実効屈折率の温度係数とは異なる屈折率温度係数を有する材料のこと。以下同じ。）を挿入することによって実現される。以下、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を例に挙げて説明する。

アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）の中心波長λ_０は、アレイ導波路の実効屈折率をｎ_ｃ、隣接するアレイ導波路との所定の光路長差をΔＬ、回折次数をｍとすると、下記式（９）で表されることになる。

一方、アレイ導波路回折格子の実効屈折率ｎ_ｃは温度依存性を持つため、中心波長λ_０は０．０１１ｎｍ／℃程度変化してしまう。光通信システムは−５〜６５℃の範囲の環境温度で使用されることが多い。この場合、例えば０．８ｎｍ程度の中心波長の変化が発生してしまい、伝送信号の劣化など大きな問題となる。このため、図１のような光波長合分波回路１００ではヒータまたはペルチェ素子を用いて回路の温度を一定に保ち中心波長を安定させるが、数Ｗの電力が必要になることや複雑なパッケージ構造が必要となる。そこで、図１７等に示すように、アレイ導波路の実効屈折率と逆の温度依存性を持った温度補償材料１１７を、第１のスラブ導波路１０１に形成された溝１１１に充填することによって、中心波長λ₀の変化を補償することが可能である。

ここで、第１のスラブ導波路１０１の実効屈折率をｎ_ｓ、温度補償材料１１７の屈折率をｎ_ｒ、対応するアレイ導波路１０２の経路上に配置された温度補償材料１１７を充填する溝幅の隣接アレイ導波路との差をΔＬ_ｇｒとすると、中心波長λ_０は、下記式（１０）で表されることになる。

実施形態２に係る光波長合分波回路１００は、中心波長λ_０が式（１０）で表されることにより、第１のスラブ導波路１０１での光路長差の温度変化が、形成される溝１１１に充填された温度補償材料１１７の光路長差の温度変化によって相殺され、透過中心波長の温度依存性が補償される。

以上、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を例に挙げて説明したが、マッハツェンダ干渉回路（ＭＺＩ）の中心波長も、アレイ導波路回折格子と同等の温度依存性を持つため、前記した説明と同様にして、温度補償材料１１７を溝１１２に充填することによって中心波長の変化を補償することが可能となる。

なお、図１７等に示した構成では、第１のスラブ導波路１０１、及び第１のアーム導波路１０７に温度補償材料１１７が充填された溝１１１、１１２が形成されている態様を示している。一方、実施形態２に係る光波長合分波回路１００にあっては、第１のスラブ導波路１０１に溝１１１を形成することに加えて、第１のアーム導波路１０７及び第２のアーム導波路１０８の少なくとも一方に溝１１２が形成されていればよい。例えば、図１７等に示した構成のほか、第１のスラブ導波路１０１に温度補償材料１１７を充填した溝１１１を形成することに加えて、第２のアーム導波路１０８に温度補償材料１１７が充填された溝１１２が形成される構成が含まれる。また、第１のスラブ導波路１０１に温度補償材料１１７を充填した溝１１１を形成し、かつ、第１のアーム導波路１０７及び第２のアーム導波路１０８の両方に温度補償材料１１７が充填された溝１１２が形成される構成も、実施形態２に係る光波長合分波回路に含まれるものである。

また、第１のスラブ導波路１０１や第１のアーム導波路１０７等に形成される溝１１１、１１２は、いずれも光波の進行軸に交差するように形成されることになる。溝１１１、１１２は、単数であってもよいが、図１７等に示すように、複数の溝１１１、１１２が形成されていてもよい。複数の溝１１１、１１２を形成することにより、単数の溝１１１、１１２を形成した場合より、放射損失をより低減することができる。また、溝１１１、１１２の断面形状も、例えば、断面Ｖ字状、断面凹状等の任意の形状を採用することができる。

溝１１１、１１２に充填される温度補償材料１１７としては、具体的には、従来公知の光学樹脂を使用することができる。例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂等の光学樹脂を使用することができる。このような光学樹脂は、光部品材料として長期信頼性に優れるという点で好ましい。

後段光カプラ１０９としては、方向性結合器を使用してもよいが、後段光カプラ１０９の形状としては、図示しないマルチモードカプラとしてもよい。後段光カプラ１０９としてマルチモードカプラを適用することにより、方向性結合器と比較して、導波路の幅に作製誤差が生じた場合においても、その分岐比が影響されにくいため、より作製トレランスに優れた光波長合分波回路１００を実現することができる。

マルチモードカプラとしては、例えば、２入力２出力の構成で分岐比が５０％／５０％のものを使用することができる。入力数、出力数及び分岐比はこれらに限定されず、任意に決定することができる。

以上説明した実施形態２に係る光波長合分波回路１００では、前述した実施形態１に係る光波長合分波回路１００の奏する効果に加えて、第１のスラブ導波路１０１に溝１１１を形成し温度補償材料１１７を充填することによって、ＡＷＧの透過波長温度依存性が補償される。ＭＺＩの第１のアーム導波路１０７及び第２のアーム導波路１０８の少なくとも一方に溝１１２を形成し、温度補償材料１１７を充填することによって、ＭＺＩの透過波長温度依存性が補償され、アサーマル機能を備えることとなる。

（実施形態の変形）
なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に記載するような変更等は、本発明の範囲に含まれるものである。

例えば、前述した実施形態にあっては、第２のスラブ導波路１０３と第２の入出力導波路１０４とを接続する接続部１１０の形状については、第２の入出力導波路１０４の中心線を延長した線（図３等のｙ軸）に関して対称として説明した。

一方、接続部１１０の形状は、第２の入出力導波路１０４の中心線を延長した線に関して非対称であってもよい。以下、第２の入出力導波路１０４の中心線を延長した線に関して非対称とした接続部１１０について、前記した一般化スーパー楕円関数形状の場合を例に挙げて説明する。

図２０は、本発明に係る光波長合分波回路１００が備える接続部１１０の他の形状を示した説明図である。図２０は、図３に示した一般化スーパー楕円関数形状にあって、第２の入出力導波路１０４の中心線を延長した線に対して非対称としたものである。図２０に示した形状は、具体的には、第２のスラブ導波路１０３との接続位置１１３からの長さをＹ、第２の入出力導波路１０４の幅拡大開始部の幅をＷ_Ｓ、第２のスラブ導波路１０３との接続位置１１３の幅Ｗ_Ｅ１＋Ｗ_Ｅ２であり、第２のスラブ導波路１０３との接続位置１１４からの距離ｙの位置における一方の側での幅ｗ_１は、正実数γ_１および正実数ε_１を用いて、下記式（１１）で表すことができる。

また、他方の側での幅ｗ_２は、正実数γ_２および正実数ε_２を用いて、下記式（１２）で表すことができる。

そして、γ_１≠γ_２、Ｗ_Ｅ１≠Ｗ_Ｅ２、ε_１≠ε_２の３条件のうち少なくとも１つ以上の条件を満足する。

このように、接続部１１０が第２の入出力導波路１０４の中心線を延長した線（光波の進行方向軸となる。）に対して非対称な形状を有することで、奇モード（特に１次モード）の励起を促すことになる。その奇モードによって生じる非対称な位相分布により、作製誤差によって生じた、アレイ導波路における位相誤差分布を相殺することで、透過帯域の平坦性をより安定的に実現可能とすることができる。

なお、図２０には、式（１１）及び式（１２）におけるγ及びεについて、具体的数値を載せて示している。図２０において、Ｙ＝１５０μｍ、Ｗ_Ｓ＝４．５μｍ、Ｗ_Ｅ１＝８．４μｍ、Ｗ_Ｅ２＝７．６μｍ、γ_１＝０．３、γ_２＝０．７、ε_１＝ε_２＝２．５としている。また、接続部１１０については、第２の入出力導波路１０４側の幅４．５μｍ、第２のスラブ導波路１０３側の幅１６．０μｍ、接続部１１０の長さ１５０μｍとした場合におけるγ及びεを示している。

前記した式（１１）及び式（１２）におけるε_１、ε_２やγ_１、γ_２のそれぞれについては、例えば、ε_１は２．０〜３．５、ε_２は２．０〜３．５とすることが好ましい。また、例えば、γ_１は０．５〜１．０、γ_２は０．５〜１．０とすることが好ましい。

また、第２の入出力導波路１０４の中心線を延長した線に対して非対称とした接続部１１０の形状については、前記した説明では、一般化スーパー楕円関数形状の場合を例に挙げて説明した。一方、第２の入出力導波路１０４の中心線を延長した線に対して非対称とした接続部１１０の形状については、一般化スーパー楕円関数形状だけでなく、第２のスラブ導波路１０３と第２の入出力導波路１０４とを接続する接続部１１０が２次モード以上を励起する形状である、実施形態１で挙げた形状、例えば、パラボラ形状、マルチモード伝搬可能な導波路形状、指数関数テーパ形状、パラボラ形状を有するパラボラ形状部１１５と、マルチモード伝搬可能な導波路となる幅一定部１１６からなる形状等の全てについて適用可能である。

そして、接続部１１０の形状について実施形態１で挙げた２次モード以上を励起する形状として、第２の入出力導波路１０４の中心線を延長した線に対して非対称とすることにより、前記した一般化スーパー楕円関数形状の場合と同様な効果、すなわち、奇モード（特に１次モード）の励起を促すことになる。その奇モードによって生じる非対称な位相分布により、作製誤差によって生じた、アレイ導波路における位相誤差分布を相殺することで、透過帯域の平坦性をより安定的に実現可能とすることができるという効果を奏する光波長合分波回路１００となる。

本発明は、アレイ導波路回折格子とマッハツェンダ干渉回路とから構成される光波長合分波回路について、透過スペクトルが広帯域で、高い平坦性を有し、かつ低損失な光合分波回路等として、電気通信産業分野やエレクトロニクス産業分野で利用することができ、産業上の利用可能性は高い。

１００ 光波長合分波回路
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 第２の入出力導波路
１０５ 第１の入出力導波路
１０６ 前段光カプラ
１０７ 第１のアーム導波路
１０８ 第２のアーム導波路
１０９ 後段光カプラ
１１０ 接続部
１１１ 溝
１１２ 溝
１１３ 接続位置
１１４ 接続位置
１１５ パラボラ形状部
１１６ 幅一定部
１１７ 温度補償材料
１２１ シリコン基板
１２２ 導波路コア
１２３ クラッド
３００ 従来型の光波長合分波回路
３０１ 第１のスラブ導波路
３０２ アレイ導波路
３０３ 第２のスラブ導波路
３０４ 第２の入出力導波路
３０５ 第１の入出力導波路
３０６ 前段光カプラ
３０７ 第１のアーム導波路
３０８ 第２のアーム導波路
３０９ 後段光カプラ
３１０ 接続部
９０１、９０２ 導波路

上記の目的を達成するために、本発明の光波長合分波回路は、第１の入出力導波路と、前記第１の入出力導波路に接続された前段光カプラ、前記前段光カプラに接続され所定の光路長差を有する第１のアーム導波路及び第２のアーム導波路、及び前記第１のアーム導波路及び前記第２のアーム導波路に接続された後段光カプラを備えるマッハツェンダ干渉回路と、前記後段光カプラに接続された第１のスラブ導波路、前記スラブ導波路に接続され所定の光路長差を有する導波路からなるアレイ導波路及び前記アレイ導波路に接続された第２のスラブ導波路を備え、前記マッハツェンダ干渉回路の透過ピークの周期と同一のチャネル間隔を有し、前記マッハツェンダ干渉回路と透過周波数の中心値が一致するアレイ導波路回折格子と、前記第２のスラブ導波路に接続された少なくとも２本以上の第２の入出力導波路と、を含み、前記第２のスラブ導波路と前記第２の入出力導波路とを接続する接続部が２次モード以上を励起する形状であることを特徴とする。

Claims (8)

1. 第１の入出力導波路と、
   前記第１の入出力導波路に接続された前段光カプラ、前記前段光カプラに接続され所定の光路長差を有する第１のアーム導波路及び第２のアーム導波路、及び前記第１のアーム導波路及び前記第２のアーム導波路に接続された後段光カプラを備えるマッハツェンダ干渉回路と、
   前記後段光カプラに接続された第１のスラブ導波路、前記スラブ導波路に接続され所定の光路長差を有する導波路からなるアレイ導波路及び前記アレイ導波路に接続された第２のスラブ導波路を備え、前記マッハツェンダ干渉回路の透過ピークの周期と同一のチャネル間隔を有するアレイ導波路回折格子と、
   前記第２のスラブ導波路に接続された少なくとも２本以上の第２の入出力導波路と、
   を含み、
   前記第２のスラブ導波路と前記第２の入出力導波路とを接続する接続部が２次モード以上を励起する形状であることを特徴とする光波長合分波回路。
2. 前記接続部の形状は、前記第２のスラブ導波路との接続位置からの長さをＹ、前記第２の入出力導波路との接続位置における幅をＷ_１、前記第２のスラブ導波路との接続位置における幅をＷ_２、前記第２のスラブ導波路との接続位置からの距離ｙの位置における幅をｗとすると、正実数γ及び正実数εを用いて、下記式（１）で表される一般化スーパー楕円関数形状であることを特徴とする請求項１に記載の光波長合分波回路。
   

   
3. 前記接続部の形状は、前記第２の入出力導波路との接続位置における幅をＷ_１、前記第２のスラブ導波路との接続位置から前記第２の入出力導波路との接続位置までの長さをＹ、Ａを係数、前記第２のスラブ導波路との接続位置からの長さｙの位置における幅をｗとすると、下記式（２）で表されるパラボラ形状であることを特徴とする請求項１に記載の光波長合分波回路。
   

   

   なお、式（２）中、０≧ｙ≧−Ｙであり、Ａ＞０である。
4. 前記接続部の形状は、前記第２のスラブ導波路との接続位置からの長さをＹとし、前記第２のスラブ導波路との接続位置の幅Ｗ_２が、前記第２の入出力導波路との接続位置まで一定であるマルチモード伝搬可能な定幅導波路形状であることを特徴とする請求項１に記載の光波長合分波回路。
5. 前記接続部の形状は、前記第２のスラブ導波路との接続位置からの長さをＹ、前記第２の入出力導波路との接続位置における幅をＷ_１、前記第２のスラブ導波路との接続位置における幅をＷ_２、指数関数の形状を与えるパラメータａ、任意の長さｙにおける指数関数テーパの幅をｗとすると、下記式（３）で表される指数関数テーパ形状であることを特徴とする請求項１に記載の光波長合分波回路。
   

   

   式（３）中、ａは高次モードの励起を調整することができる指数関数の形状を与えるパラメータである。
6. 前記接続部の形状は、パラボラ形状を有するパラボラ形状部と、前記パラボラ形状部と繋がり、幅が前記第２のスラブ導波路との接続位置における幅から一定とされる、マルチモード伝搬可能な導波路となる幅一定部からなり、
   前記パラボラ形状部の長さをＹ、前記幅一定部の長さをＹ_０、前記パラボラ形状部と前記第２の入出力導波路との接続位置における幅をＷ_１、前記幅一定部と前記第２のスラブ導波路との接続位置における幅をＷ_２、前記パラボラ形状部における任意の長さｙにおける前記パラボラ形状部の幅をｗとすると、下記式（４）で表される形状となることを特徴とする請求項１に記載の光波長合分波回路。
   

   
7. 前記接続部の形状は、前記第２の入出力導波路の中心線を延長した線に対して非対称な形状であることを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の光波長合分波回路。
8. 前記第１のアーム導波路及び前記第２のアーム導波路の少なくとも一方と、前記第１のスラブ導波路に温度補償材料が充填された溝が形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光波長合分波回路

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