JP2015094915A - 波長合分波器及び光集積回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長合分波器及び光集積回路装置に関し、小型サイズで、且つ、スペクトル平坦性の改善及び低クロストーク特性を両立する。【解決手段】３つの１?２光カプラ２１〜２３を用いたカスケード接続の光分岐部１と、３つのリング共振器５１〜５３により遅延量を順に２ΔＬ、０、ΔＬ、及び、３ΔＬに設定した４つの遅延導波路４１〜４３を備えた光遅延部３と、２組の１対の２?２光カプラ７１〜７４を交差接続した光結合部６とを設ける。【選択図】図１

Description

本発明は波長合分波器及び光集積回路装置に関するものであり、例えば、光通信や光インターコネクトで用いる波長合分波器及び光集積回路装置に関するものである。

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、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光配線の断面積が数百ｎｍ角であるため、高密度集積が可能になることが挙げられる。また、Ｓｉチップ内で波長多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）により、光配線１本当りの伝送容量向上が期待されている。

Ｓｉチップ内でＷＤＭ光信号を送受信するためには、ＷＤＭ光信号を必要に応じて合波（ＭＵＸ）・分波（ＤｅＭＵＸ）させるＳｉ細線導波路型波長合分波器が必要となる。そのＳｉ細線導波路型波長合分波器に求められる条件としては、スペクトル平坦性、低損失性、低チャネル間偏差、低クロストーク（ＸＴ）等が挙げられる。

これらの条件を満たす有力な候補として遅延マッハ・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器が報告されている。米国インテル社では、ＤＭＺＩ型合分波器を報告している（例えば、非特許文献１参照）。

ここで、図１３を参照して、従来技術を用いて形成した1×４ＣｈのＤＭＺＩ型波長合分波器を説明する。図１３は従来例１の1×４ＣｈのＤＭＺＩ型波長合分波器の概念的平面図であり、光路長の異なる２本のアーム導波路８１_１，８２_１を対向させて入力端側と出力端側に光カプラ８３_１、８４_１を形成してＤＭＺＩ８０_１を形成する。光路長の長いアーム導波路８２_１は、光路長の短いアーム導波路８１_１に対して遅延導波路となる。

第１ステージのＤＭＺＩ８０_１に対して２つのＤＭＺＩ８０_２，８０_３をカスケード接続した２段ステージのＤＭＺＩで波長合分波器を構成する。この時、２つのＤＭＺＩ８０_２，８０_３の光路長差は、第１のＤＭＺＩ８０_１の光路長差の１／２とするとともに、一方のＤＭＺＩ８０_３に位相を制御する位相シフタ８５_３を設けて第２のＤＭＺＩ８０_２に対してπ／２(＝λ／４)の位相差を形成する。

図１４は、従来例１の1×４ＣｈのＤＭＺＩ型波長合分波器の合分波スペクトルであり、チャネル間隔を８００ＧＨｚと仮定している。図に示すように、スペクトル形状は放物線関数的になり、ＷＤＭ光信号の波長ズレ或いは合分波器の温度変化が生じると、合分波器における挿入損失が増大するほか、ＷＤＭ光信号間におけるクロストークＸＴも劣化するという問題がある。

そこで、このような問題を解消するために、米国ＩＢＭ社は、光路長差の異なるＤＭＺＩを冗長に接続し、各ＤＭＺＩにおける光結合率ｋ_ｉを適正化し、スペクトル平坦性を得ることを提案している（例えば、非特許文献２参照）。ここで、図１５を参照して、提案による改良型波長合分波器を説明する。

図１５は、提案による改良型の従来例２の波長合分波器の概念的平面図であり、第１ステージのＤＭＺＩ８０_１に対して、光路長差が第１ステージのＤＭＺＩ８０_１より大きく且つ互いに位相差を有する２つのＤＭＺＩ８０_４，８０_５を直列に接続する。また、第２ステージの２つのＤＭＺＩ８０_２，８０_３にもそれぞれ光路長差が第２ステージのＤＭＺＩ８０_２，８０_３より大きく且つ互いに位相差を有する２つのＤＭＺＩ８０_６，８０_７を直列に接続する。なお、ＤＭＺＩ８０_５及びＤＭＺＩ８０_７には位相シフタ８５_５，８５_７が形成されている。ここで、各光カプラ８３_１〜８３_３，８４_１〜８４_７の光結合係数ｋを所定の値に設定している。

図１６は、改良型の従来例２の波長合分波器の合分波スペクトルであり、ここでもチャネル間隔を８００ＧＨｚと仮定している。図示に示すように、挿入損を犠牲にしないまま、スペクトル形状を平坦化することができ、ＸＴの低減も可能になる。

図１７は、さらなる改良型の従来例３の波長合分波器の概念的平面図であり、図の説明は省略するが、２段ステージのＤＭＺＩに対して３段目のステージのＤＭＺＩを接続するとともに、冗長構成を採用したものである。

図１８は、さらなる改良型の従来例３の波長合分波器の合分波スペクトルであり、ここでもチャネル間隔を８００ＧＨｚと仮定している。図示に示すように、この場合も、挿入損を犠牲にしないまま、スペクトル形状を平坦化することができ、ＸＴの低減も可能になる。

表１は、実施例１乃至実施例３の波長合分波器のスペクトル平坦性とクロストーク特性を纏めたものである。スペクトル平坦性の性能指数として、−１ｄＢと−１０ｄＢに対する透過帯域幅の比率（ＳＦ：ｓｈａｐｅ ｆａｃｔｏｒ）と、−１ｄＢと−２０ｄＢに対する透過帯域幅の比率ＳＦを用いる。

表１に示すように、従来例２の場合には、従来例１と比較して光干渉計の数が増大するものの、ＳＦが大幅に改善し、ＸＴも低減する。また、従来例３の場合には、ＸＴをさらに向上させることができる。但し、スペクトル平坦性の劣化は免れず、ＳＦとＸＴはトレードオフの関係にある。

Ｄ. Ｗ. Ｋｉｍ, Ａ. Ｂａｒｋａｉ, Ｒ. Ｊｏｎｅｓ, Ｎ. Ｅｌｅｋ, Ｈ. Ｎｇｕｙｅｎ, ａｎｄ Ａ. Ｌｉｕ, "Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｅｉｇｈｔ−ｃｈａｎｎｅｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｃａｓｃａｄｅ Ｏｆ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ," Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ３３（５）, ５３０−５３２，２００８ Ｆ. Ｈｏｒｓｔ, "Ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ," ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２０１１ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ, ＯＷＪ３，２０１０．０３ Ｓ. Ａｓｓｅｆａ他, "Ａ ９０ｎｍ ＣＭＯＳ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｎａｎｏ−ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ２５Ｇｂｐｓ ＷＤＭ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ （Ｌａｔｅ Ｎｅｗｓ）," ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２０１２ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｍｅｅｔｉｎｇ, ３３．８，２０１２．１２

しかし、従来例２の場合には、従来例１と比べて合分波スペクトルの平坦性（ＳＦ）を大幅に改善できるものの、クロストークＸＴの改善は―６ｄＢ程度にとどまるという問題がある。

一方、従来例３の場合には、従来例１と比べてクロストークＸＴを大幅に低減できるものの、スペクトル平坦性（ＳＦ）が劣化するトレードオフの関係を避けられないという問題がある。さらに、光干渉計の数の増加に伴う制御点数の増大や素子サイズの増大が問題となる。

したがって、波長合分波器及び光集積回路装置において、小型サイズで、且つ、スペクトル平坦性の改善及び低クロストーク特性を両立することを目的としている。

開示する一観点からは、光信号を同振幅に分岐する第１乃至第３の１×２光カプラを有し、前記第１の１×２光カプラの分岐側の第１のポートに接続する第２の１×２光カプラと、前記第１の１×２光カプラの分岐側の第２のポートに接続する第３の１×２光カプラとを備えて４等分岐する光分岐部と、前記第２のカプラの分岐側の第１のポートに接続する第１の遅延導波路と、前記第２のカプラの分岐側の第２のポートに接続する第２の遅延導波路と、前記第３のカプラの分岐側の第１のポートに接続する第３の遅延導波路と、前記第３のカプラの分岐側の第２のポートに接続する第４の遅延導波路とがこの順序で配列するように設けられ、前記第１の遅延導波路乃至前記第４の遅延導波路の遅延量が、遅延干渉部の中心波長、回折次数及び導波路の実効屈折率で決まる順に２ΔＬ、０、ΔＬ、及び、３ΔＬになるように前記第１の遅延導波路乃至前記第３の遅延導波路に結合された同一構造のリング共振器を備え、前記第３の遅延導波路の位相シフトΔθが０．５πラジアンであり、且つ、前記第４の遅延導波路のシフト量−Δθが−０．５πラジアンである光遅延部と、前記第１の遅延導波路及び前記第２の遅延導波路に接続されて光信号を同振幅に分岐・結合する第１の２×２光カプラと、前記第３の遅延導波路及び前記第４の遅延導波路に接続されて光信号を同振幅に分岐・結合する第２の２×２光カプラと、前記第１の２×２光カプラの他端側の第１のポートに接続する第１の光導波路と前記第２の２×２光カプラの他端側の第１のポートに接続する第３の光導波路とを接続する光信号を同振幅に分岐・結合する第３の２×２光カプラと、前記第１の２×２光カプラの他端側の第２のポートに接続する第２の光導波路と前記第２の２×２光カプラの他端側の第２のポートに接続する第４の光導波路とを接続する光信号を同振幅に分岐・結合する第４の２×２光カプラとを備え、前記第２の光導波路と前記第３の光導波路が互いに交差した交差部を有し、前記第２の光導波路及び前記第３の光導波路の前記第１の光導波路及び前記第４の光導波路に対する位相シフトΔφが０．２５πラジアンである光結合部とを有することを特徴とする波長合分波器が提供される。

また、開示する別の観点からは、上述の波長合分波器と、前記波長合分波器の第３の２×２光カプラ及び前記第４の２×２光カプラの他端側の４つのポートに接続され互いに異なる波長で発振する第１乃至第４のレーザ素子を有する光源アレイと、前記光源アレイからの各波長の信号光を変調する光変調器アレイとを備えたことを特徴とする光集積回路装置が提供される。

また、開示するさらに別の観点からは、上述の波長合分波器と、前記第３の２×２光カプラ及び前記第４の２×２光カプラの他端側の４つのポートに接続された４つの受光素子を有する受光器アレイとを備えたことを特徴とする光集積回路装置が提供される。

開示の波長合分波器及び光集積回路装置によれば、小型サイズで、且つ、スペクトル平坦性の改善及び低クロストーク特性を両立することが可能になる。

本発明の実施の形態の波長合分波器の概念的平面図である。 本発明の実施の形態の波長合分波器の合分波スペクトルである。 本発明の実施例１の波長合分波器の概念的平面図である。 本発明の実施例１の波長合分波器を構成する光導波路構造の説明図である。 光分岐部を構成する１×２光カプラの概念的平面図である。 光遅延部の概念的平面図である。 本発明の実施例１の波長合分波器の合分波スペクトルの説明図である。 波長合分波器の単一チャネルにおける透過スペクトル及びクロストークの説明図である。 本発明の実施例２の波長合分波器の概念的平面図である。 本発明の実施例３の光集積回路装置の概念的平面図である。 本発明の実施例４の光集積回路装置の概念的平面図である。 本発明の実施例５の光集積回路装置の概念的平面図である。 従来例１の1×４ＣｈのＤＭＺＩ型波長合分波器の概念的平面図である。 従来例１の1×４ＣｈのＤＭＺＩ型波長合分波器の合分波スペクトルである。 提案による改良型の従来例２の波長合分波器の概念的平面図である。 改良型の従来例２の波長合分波器の合分波スペクトルである。 さらなる改良型の従来例３の波長合分波器の概念的平面図である。 さらなる改良型の従来例３の波長合分波器の合分波スペクトルである。

ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態の波長合分波器を説明する。図１は本発明の実施の形態の波長合分波器の概念的平面図である。本発明の波長合分波器は光分岐部１と、光遅延部３と、光結合部６とを有している。

光分岐部１は、光信号を同振幅に分岐する第１乃至第３の１×２光カプラ２_１〜２_３をカスケード接続して形成する。即ち、第１の１×２光カプラ２_１の分岐側の第１のポート２_１２に第２の１×２光カプラ２_２のポート２_２１を接続し、第１の１×２光カプラ２_１の分岐側の第２のポート２_１３に第３の１×２光カプラ２_３のポート２_３１を接続して４等分岐とする。

光遅延部３は、ポート２_２２に接続する第１の遅延導波路４_１とポート２_２３に接続する第２の遅延導波路４_２と、ポート２_３２に接続する第３の遅延導波路４_３と、ポート２_３３に接続する第４の遅延導波路４_４とを備えている。第１の遅延導波路４_１乃至前記第４の遅延導波路４_４の遅延量が、所定の遅延量ΔＬに対して順に２ΔＬ、０、ΔＬ、及び、３ΔＬになるように第１の遅延導波路４_１乃至第３の遅延導波路４_３にリング共振器（ＭＲＲ： ｍｉｃｒｏｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）５_１〜５_３を結合する。各リング共振器５_１〜５_３はリング周回長が同じ同一構造とし、各遅延導波路４_１〜４_３に対する結合効率を変える。

この時、各リング共振器５_１〜５_３は、アンチレゾナンス条件を満たすようにする。即ち、各リング共振器５_１〜５_３の中心波長が、リング共振器５_１〜５_３を含まない遅延干渉計の中心波長からπラジアン位相シフトする条件を満たすようにする。また、各リング共振器５_１〜５_３は、遅延長が増大するほど、各遅延導波路４_１〜４_３と各リング共振器５_１〜５_３との結合する割合が減少するように設定する。即ち、各リング共振器５_１〜５_３は各遅延導波路４_１〜４_３に対して位相調整器として作用する。なお、遅延導波路４_３の位相シフトΔθは０．５πラジアンであり、遅延導波路４_４のシフト量−Δθは−０．５πラジアンである。

また、光結合部６は、２組の１対の光信号を同振幅に分岐・結合する２×２光カプラ７_１〜７_４を交差接続してＢａｎｙａｎ構成の光結合部６とする。第１の２×２光カプラ７_１の他端側の第１のポート７_１２に接続する第１の光導波路８_１を第３の２×２光カプラ７_３のポート７_３１に接続する。第２の２×２光カプラ８_２の他端側の第１のポート７_２３に接続する第３の光導波路８_３を第３の２×２光カプラ７_３のポート８_３２に接続する。また、第１の２×２光カプラ７_１の他端側の第２のポート７_１４に接続する第２の光導波路８_２を第４の２×２光カプラ７_４のポート７_４１に接続する。第２の２×２光カプラ７_２の他端側の第２のポート７_２４に接続する第４の光導波路８_４を第４の２×２光カプラ７_４のポート７_４２に接続する。この時、第１の光導波路８_１乃至第４の光導波路８_４は、位相シフト（Δφ＝−０．２５πラジアン）される領域を除き、同じ光学長にする。

シリコン基板上に絶縁膜を介して単結晶シリコンコア層を設けたＳＯＩ基板を用いて波長合分波器を形成すると、第２の光導波路８_２と第３の光導波路８_３が互いに交差した交差部９_１が形成される。このような交差部９_１は交差部のない第１の光導波路８_１及び第４の光導波路８_４に対して位相ズレをもたらす。そこで、このような位相ズレを調整するために、第１の光導波路８_１及び第４の光導波路８_４にも、交差部９_１と同じ構造の位相調整用の交差部を設けることが望ましい。

図２は、本発明の実施の形態の波長合分波器の合分波スペクトルであり、チャネル間隔を８００ＧＨｚと仮定している。図から明らかなように、従来例１乃至従来例３に比べてスペクトルの平坦性に優れ、且つ、クロストークＸＴの少ない特性となっている。

このような波長合分波器を用いて送信器側の光集積回路を形成するためには、波長合分波器の第３の２×２光カプラ７_３及び第４の２×２光カプラ７_４の４つのポート７_３３，７_３４，７_４３，７_４４に異なる波長で発振するレーザ素子を有する光源アレイを接続する。それと同時に、光源アレイからの各波長の信号光を変調する光変調器アレイを設ける。

この場合の光変調器アレイは、４つのマッハ・ツェンダ型変調器を備えた光変調器アレイを光源アレイと第３の２×２光カプラ７_３及び第４の光カプラ７_４との間に挿入しても良い。或いは、光変調器アレイは、第１の１×２光カプラ２_１の結合側のポート２_１１に光導波路を接続し、この光導波路の延在方向に互いにリング長の異なる４つのリング共振器を配置した縦型の光変調器アレイを用いても良い。

次に、図３乃至図８を参照して、本発明の実施例１の波長合分波器を説明する。図３は、本発明の実施例１の波長合分波器の概念的平面図である。本発明の波長合分波器は光分岐部１０と、光遅延部２０と、光結合部３０とを有している。

図４は、本発明の実施例１の波長合分波器を構成する光導波路構造の説明図であり、ここでは、Ｓｉフォトニクス技術を用いてＳＯＩ基板上に形成するが、ここでは、一つの導波路部の断面構造で説明する。まず、図４（ａ）に示すように、シリコン基板５１上にＳｉＯ_２膜５２を介して厚さが０．２２μｍの単結晶シリコン層５３を設けたＳＯＩ基板を準備する。

次いで、図４（ｂ）に示すように、露光プロセスによって幅が０．４８μｍの導波路ストライプ構造のレジストパターン５４を形成し、ドライエッチングを行ってコア層５５を形成してチャネル導波路構とする。次いで、図４（ｃ）に示すように、レジストパターン５４を除去したのち、全面にＳｉＯ_２膜５６を堆積することによってクラッド層とする。

なお、図４（ｄ）に示すように、コア層５５を形成する際に、０．０５μｍの高さのスラブ部５７を残すことによりリブ導波路構造としても良い。このように、コア層５５の両脇にスラブ部５７を形成しておくと、電流注入により導波路の屈折率を変えることができる。

再び、図３に戻ると、光分岐部１０は、光信号を同位相・同振幅で分岐する１×２光カプラ１１_１の分岐側のポート１２_１２，１２_１３に同じ構造の１×２光カプラ１１_２，１１_３をカスケード接続して４等分岐とする。

図５は、光分岐部を構成する１×２光カプラの概念的平面図であり、図５（ａ）はＭＭＩ（ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）型の１×２光カプラの概念的平面図である。長さがＬ_ＭＭＩで幅がＷ_ＭＭＩの多モード干渉領域１３_１の結合側の中央部に幅がＷＭＭＩ／４のポート１２_１１を設けるとともに、分岐側に幅がＷＭＭＩ／４のポート１２_１２、１２_１３をＷ_ＭＭＩ／４の間隔で配置する。

図５（ｂ）は、Ｙ分岐型の１×２光カプラの概念的平面図であり、ポート１２_１１から直接２本のポート１２_１２,１２_１３をＹ字型に分岐したものである。１×２ＭＭＩ光カプラの代わりにこのようなＹ分岐型１×２光カプラを用いても良い。

再び、図３に戻ると、光遅延部２０は、１×２光カプラ１１_２，１１_３の各ポート１２_２２〜１２_３３に接続する４本の遅延導波路２１_１〜２１_４と、３本の遅延導波路２１_１〜２１_３と光結合するリング共振器２２_１〜２２_３からなる。ここで、４本の遅延導波路２１_１〜２１_４の遅延量が、所定の値ΔＬに対して順に２ΔＬ、０、ΔＬ、及び、３ΔＬになるように各リング共振器２２_１〜２２_３のリング周回長を同じにして、間隙（Ｇａｐ）により結合効率を変えて遅延量を設定する。

図６は、光遅延部の概念的平面図であり、遅延導波路２１_１（〜２１_３）それとＧａｐを介して光結合するリング共振器２２_１（〜２２_３）らなる。なお、ここでは、一つの組み合わせのみ図示する。リング共振器２２_１（〜２２_３）は長さがＬ_ＳＴの直線導波路と半径がＲの半円状導波路からなり、全てのリング共振器２２_１〜２２_３において同一の構造とする。

この時、各リング共振器２２_１〜２２_３は、アンチレゾナンス条件、即ち、リング共振器２２_１〜２２_３の中心波長が、リング共振器２２_１〜２２_３を含まない遅延干渉計の中心波長からπラジアン位相シフトする条件を満たすようにする。伝播する信号光のチャネル間隔は光遅延部２０の遅延長やリング共振器２２_１〜２２_３の周回長で制御する。

ここで、チャネル間隔に対する光遅延部２０の関係を説明する。上述のように、遅延長はΔＬで定義される離散的な値をもって、上部から下部に向かってそれぞれ２ΔＬ、０、ΔＬ、３ΔＬの相対関係を満足するように設定する。この場合、λ_ＤＭＺＩ、ｍ及びＮ_Ｅｑをそれぞれ遅延干渉部の中心波長、回折次数およびＳｉ細線導波路の実効屈折率とすると、ΔＬは下記の式（１）により定まる。
ΔＬ＝（λ_ＤＭＺＩ×ｍ）／Ｎ_Ｅｑ （１）

また、チャネル間隔Δνは、Ｎ_ＧｒをＳｉ細線導波路の群屈折率とすると、下記の式（２）で定まる。
Δν＝λ_ＤＭＺＩ ^２／（４Ｎ_Ｇｒ×ΔＬ） （２）
また、光遅延部におけるリング共振器ＭＲＲの関係は、λ_{ＭＲＲ−１}、λ_{ＭＲＲ−２}及びλ_{ＭＲＲ−３}をそれぞれリング共振器２２_１〜２２_３の中心波長とすると下記の式（３）及び式（４）で表される。
λ_{ＭＲＲ−１}＝λ_{ＭＲＲ−２}＝λ_{ＭＲＲ−３}＝λ_ＤＭＺＩ−０．５Δν （３）
〜２ｋ_{ＭＲＲ−１}＝ｋ_{ＭＲＲ−２}＝〜１．２ｋ_{ＭＲＲ−３}＝０．９５ （４）
この式（３）に示す関係がアンチレゾナンス条件である。一方、式（４）におけるｋ_{ＭＲＲ−１}、ｋ_{ＭＲＲ−２}及びｋ_{ＭＲＲ−３}はそれぞれリング共振器２２_１〜２２_３における光結合率である。

ここで、式（３）及び式（４）の関係を満たすために、遅延導波路２１_１〜２１_３とリング共振器２２_１〜２２_３の間のＧａｐ_１〜Ｇａｐ_３を調整する。例えば、リング共振器２２_１〜２２_３において、結合導波路長Ｌ_ＳＴおよびリングの曲率半径Ｒをそれぞれ１５．５７μｍ及び９．０８μｍにすれば式（３）に示す関係を満たすことができる。また、リング共振器２２_１〜２２_３のＧａｐ_１〜Ｇａｐ_３をそれぞれ２５０ｎｍ、１８８ｎｍ及び２００ｎｍに設定することにより、式（４）に示す関係を満たすことができる。

また、光結合部３０は、光信号を同振幅に分岐・結合する４つの２×２光カプラ３１_１〜３１_４を交差接続してＢａｎｙａｎ構成の光結合部３０とする。即ち、遅延導波路２１_１，２１_２に接続する２×２光カプラ３１_１の他端側のポート３２_１３に接続する光導波路３３_１を２×２光カプラ３１_３のポート３２_３１に接続する。２×２光カプラ３１_１の他端側のポート３２_１４に接続する光導波路３３_２をクロス配置した２×２光カプラ３１_４のポート３２_４１に接続する。一方、遅延導波路２１_３，２１_４に接続する２×２光カプラ３１_２の他端側のポート３２_２３に接続する光導波路３３_３をクロス配置した２×２光カプラ３１_３のポート３２_３２に接続する。２×２光カプラ３１_２の他端側のポート３２_２４に接続する光導波路３３_４を２×２光カプラ３１_４のポート３２_４２に接続する。なお、２×２光カプラ３１_１〜３１_４としては、図５に示した１×２光カプラの結合側のポートを、分岐側と同じ構成の２本のポートに置き換えたものを用いれば良い。

この時、光導波路３３_２と光導波路３３_３は同一平面上で交差するので交差部３４_１が形成される。光導波路３３_１〜３３_４は位相シフト（Δφ）領域を除いて同じ光路長に設定する。この時、位相シフト量Δθ及びΔφについては、下記の式（５）及び（６）の関係を満たすように設定する。
Δθ＝０．５π〔ｒａｄｉａｎ〕 （５）
Δφ＝０．２５π〔ｒａｄｉａｎ〕 （６）
チャネル間隔Δν＝８００ＧＨｚの特性を想定すると、図４（ｃ）に示すチャネル型Ｓｉ細線導波路構造を用いれば、ΔＬ〜１１μｍとなる。また、０．２５π〔ｒａｄｉａｎ〕に相当する位相変化をもたらすための導波路長は〜８５ｎｍになるので、光導波路３３_２及び光導波路３３_３の長さを光導波路３３_１及び光導波路３３_４より８５ｎｍだけ長くすれば良い。なお、これらの位相関係は相対的に成立すれば良いため、例えば、光導波路３３_１及び光導波路３３_４の長さを光導波路３３_２及び光導波路３３_３より８５ｎｍだけ短くしても所望の関係を満たすことができる。

図７は、本発明の実施例１の波長合分波器の合分波スペクトルの説明図であり、図７（ａ）は、本発明の実施例１の波長合分波器の合分波スペクトルである。また、図７（ｂ）及び図７（ｃ）は各遅延干渉計の遅延量を実施例１と異なるように設定した場合のスペクトルである。ここでは、本発明の実施例１において２ΔＬ、０、ΔＬ及び３ΔＬの関係を保つように、３つのリング共振器２２_１〜２２_３の光結合率ｋ_{ＭＲＲ-１}〜ｋ_{ＭＲＲ-３}を０．４８，０．９５，０．８０に設定している。一方、図７（ｂ）及び図７（ｃ）の場合には、それぞれ、０．４８，０．８０，０．９５と０．９５，０．８０，０．４８のように順序を変えて設定している。

図７（ａ）に示すように、本発明の実施例１の場合には、平坦性に優れ且つ低クロストークの良好な合分波スペクトル特性が得られる。一方、図７（ｂ）或いは図７（ｃ）の場合には、式（４）の条件からのズレ量が大きくなるにつれて、スペクトル平坦性およびクロストークが顕著に劣化することが分かる。

この実施例１における特性は、
ＳＦ（−１ｄＢ／−１０ｄＢ）：０．８７
ＳＦ（−１ｄＢ／−２０ｄＢ）：０．７６
ＸＴ：＜−３３ｄＢ
であり、ＳＦが著しく向上するとともに―３０ｄＢ以下の低ＸＴも確保できることが分かる。

図８は、波長合分波器の単一チャネルにおける透過スペクトルおよびクロストークＸＴの説明図であり、ここでは、上述の従来例２及び従来例３の特性も併せて表示する。ここで、クロストークは１×４Ｃｈ波長合分波器において、残り三つのチャネル成分に対する影響を考慮した結果である。尚、チャネル間隔は８００ＧＨｚと仮定している。図８（ａ）は透過スペクトルの説明図であり、本発明の実施例１の波長合分波器の透過帯域におけるスペクトル平坦性が最も優れることが分かる。

一方、光リンクにおけるパワーペナルティの観点からは、クロストークＸＴを低く抑えることが重要である。図８（ｂ）はクロストーク特性図であり、本発明の実施例１の波長合分波器においては、広波長帯域わたって低いＸＴが得られている。例えば、ＸＴを−１５ｄＢ以下に抑えることを想定した場合、本発明の実施例１の波長合分波器の場合、図に示すように、おおよそ５．３ｎｍに相当する波長帯域を活用することができる。これは、チャネル間隔の８０％以上に相当する。なお、図８（ａ）においては、図８（ｂ）に示すＸＴ＝−１５ｄＢに設定した場合に対応する波長位置を縦の破線で示している。

一方、従来例２の場合には、有効な波長帯域は、ＸＴに律速され、おおよそ４ｎｍになる。また、従来例３の場合には、本発明の実施例１と同様に、ＸＴを低く抑えることができるものの、スペクトル平坦性が劣るため、有効な波長帯域は、過剰損の増大に律速され、従来例２と同様におおよそ４ｎｍになる。これはチャネル間隔の６０％程度に相当する。つまり、本発明の実施例１の波長合分波器は、チャネル間隔設定によらず、有効な動作波長帯域を２０％以上改善することが可能になる。

次に、図９を参照して、本発明の実施例２の波長合分波器を説明するが、光結合部の構成が異なる以外は上記の実施例１の波長合分波器と同じである。図９は、本発明の実施例２の波長合分波器の概念的平面図であり、光分岐部１０及び光遅延部２０は上記の実施例１と全く同じである。

光結合部３０においては、光導波路３３_１及び光導波路３３_４にも交差部３４_１と同じ構造の位相調整用の交差部３４_２，３４_３を設ける。即ち、必然的に形成される交差部３４_１が存在すると、交差部がない光導波路３３_１及び光導波路３３_４に対して位相ズレが発生する。そこで、光導波路３３_１及び光導波路３３_４にも交差部３４_１と同じ構造の交差部３４_２，３４_３を設けることによって、この位相ズレを解消したものである。この場合、位相ズレの調整が不要になるので、作製歩留りを向上することが可能になる。

次に、図１０を参照して、本発明の実施例３の光集積回路装置を説明する。図１０は本発明の実施例３の光集積回路装置の概念的平面図であり、上述の図３に示した１×４Ｃｈの波長合分波器の分岐側に光変調器アレイと光源アレイを接続したものである。

図に示すように、２×２光カプラ３１_３，３１_４の４つのポート３２_３３，３２_３４，３２_４３，３２_４４にマッハ・ツェンダ変調器４１_１〜４１_４を設けた光変調器アレイ４０を接続する。また、光変調器アレイ４０の前段に互いに異なる波長で発振する半導体レーザ素子４３_１〜４３_４を有する光源アレイ４２を接続する。

この実施例３の光集積回路装置においては、光源アレイ４２からの互いに波長の異なるレーザ光をマッハ・ツェンダ変調器４１_１〜４１_４で変調したのち、波長合分波器で合波してポート１２_１１から出力する。この時、透過スペクトルの平坦性及びクロストーク特性の優れた波長合分波器により合波しているので、多少光信号の波長ズレや温度変動により波長合分波器の動作波長シフトが生じても、低損失を保持し、波長多重信号の光送信を行うことができる。

次に、図１１を参照して、本発明の実施例４の光集積回路装置を説明する。図１１は本発明の実施例４の光集積回路装置の概念的平面図であり、上述の図３に示した１×４Ｃｈの波長合分波器の分岐側に光源アレイを接続するとともに、合波側にリング変調器を接続したものである。

図に示すように、２×２光カプラ３１_３，３１_４の４つのポート３２_３３，３２_３４，３２_４３，３２_４４に互いに異なる波長で発振する半導体レーザ素子４３_１〜４３_４を有する光源アレイ４２を接続する。一方、１×２光カプラ１１_１の合波側のポート１２_１１に４段構造のリング変調器４４_１〜４４_４を接続したものである。なお、このリング変調器４４_１〜４４_４は、ポート１２_１１に接続する一本の出力導波路に沿って４つの互いに周回長の異なるリング共振器を結合させたものである。この場合も、透過スペクトルの平坦性及びクロストーク特性の優れた波長合分波器により合波しているので、多少光信号の波長ズレや温度変動により波長合分波器の動作波長シフトが生じても、低損失を保持し、波長多重信号の光送信を行うことができる。

次に、図１２を参照して、本発明の実施例５の光集積回路装置を説明する。図１２は本発明の実施例５の光集積回路装置の概念的平面図であり、上述の図３に示した１×４Ｃｈの波長合分波器の分岐側に受光器アレイ４５を接続したものである。

図に示すように、２×２光カプラ３１_３，３１_４の４つのポート３２_３３，３２_３４，３２_４３，３２_４４に４つの受光器４６_１〜４６_４を有する受光器アレイ４５を接続したものである。１×２光カプラ１１_１の合波側のポート１２_１１から入力した信号光は、波長合分波器によって分波されて４つの受光器４６_１〜４６_４に入力されて電気信号に変換される。

この場合も、透過スペクトルの平坦性及びクロストーク特性の優れた波長合分波器により分波しているので、多少光信号の波長ズレや温度変動により波長合分波器の動作波長シフトが生じても、低損失および低ＸＴを保持することができる。その結果、受光器により検波する際、光リンクにおけるパワーペナルティを最低限に抑えることができる。

このような、受信型の光集積回路装置と、図１０或いは図１１に示した発信型の光集積回路装置を組み合わせることによって、小型サイズの光集積青路装置により低損失性および低ＸＴに優れた光通信システムを構築することができる。

ここで、実施例１乃至実施例５を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）光信号を同振幅に分岐する第１乃至第３の１×２光カプラを有し、前記第１の１×２光カプラの分岐側の第１のポートに接続する第２の１×２光カプラと、前記第１の１×２光カプラの分岐側の第２のポートに接続する第３の１×２光カプラとを備えて４等分岐する光分岐部と、前記第２のカプラの分岐側の第１のポートに接続する第１の遅延導波路と、前記第２のカプラの分岐側の第２のポートに接続する第２の遅延導波路と、前記第３のカプラの分岐側の第１のポートに接続する第３の遅延導波路と、前記第３のカプラの分岐側の第２のポートに接続する第４の遅延導波路とがこの順序で配列するように設けられ、前記第１の遅延導波路乃至前記第４の遅延導波路の遅延量が、遅延干渉部の中心波長、回折次数及び導波路の実効屈折率で決まる所定の遅延量ΔＬに対して順に２ΔＬ、０、ΔＬ、及び、３ΔＬになるように前記第１の遅延導波路乃至前記第３の遅延導波路に結合された同一構造のリング共振器を備え、前記第３の遅延導波路の位相シフトΔθが０．５πラジアンであり、且つ、前記第４の遅延導波路のシフト量−Δθが−０．５πラジアンである光遅延部と、前記第１の遅延導波路及び前記第２の遅延導波路に接続されて光信号を同振幅に分岐・結合する第１の２×２光カプラと、前記第３の遅延導波路及び前記第４の遅延導波路に接続されて光信号を同振幅に分岐・結合する第２の２×２光カプラと、前記第１の２×２光カプラの他端側の第１のポートに接続する第１の光導波路と前記第２の２×２光カプラの他端側の第１のポートに接続する第３の光導波路とを接続する光信号を同振幅に分岐・結合する第３の２×２光カプラと、前記第１の２×２光カプラの他端側の第２のポートに接続する第２の光導波路と前記第２の２×２光カプラの他端側の第２のポートに接続する第４の光導波路とを接続する光信号を同振幅に分岐・結合する第４の２×２光カプラとを備え、前記第２の光導波路と前記第３の光導波路が互いに交差した交差部を有し、前記第２の光導波路及び前記第３の光導波路の前記第１の光導波路及び前記第４の光導波路に対する位相シフトΔφが０．２５πラジアンである光結合部とを有することを特徴とする波長合分波器。
（付記２）前記各リング共振器は、前記波長合分波器のチャネル間隔ごとに共振ピーク有する周回長を備え、前記各遅延導波路に基づく干渉計の中心波長と前記各リング共振器の中心波長がπラジアン異なることを特徴とする付記１に記載の波長合分波器。
（付記３）前記各リング共振器は、遅延長が増大するほど、前記各遅延導波路と前記各リング共振器との結合する割合が減少することを特徴とする付記１または付記２に記載の波長合分波器。
（付記４）前記第１の光導波路と前記第４の光導波路が、前記交差部の形状と同じ形状の位相ズレ調整領域を有することを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載の波長合分波器。
（付記５）前記光分岐部のコア層、前記光遅延部のコア層、前記光結合部のコア層が、シリコン基板上に絶縁膜を介して形成された単結晶シリコンコア層からなることを特徴とする付記１乃至付記４のいずれか１に記載の波長合分波器。
（付記６）付記１乃至付記５のいずれか１に記載の波長合分波器と、前記波長合分波器の第３の２×２光カプラ及び前記第４の２×２光カプラの他端側の４つのポートに接続され互いに異なる波長で発振する第１乃至第４のレーザ素子を有する光源アレイと、前記光源アレイからの各波長の信号光を変調する光変調器アレイとを備えたことを特徴とする光集積回路装置。
（付記７）前記光変調器アレイが、前記光源アレイと前記第３の２×２光カプラ及び前記第４の光カプラとの間に挿入されていることを特徴とする付記６に記載の光集積回路装置。
（付記８）前記光変調器アレイが、前記第１の１×２光カプラの結合側のポートに接続された光導波路と、前記光導波路の延在方向に配置された互いにリング長の異なる４つのリング共振器とからなることを特徴とする付記６に記載の光集積回路装置。
（付記９）付記１乃至付記５のいずれか１に記載の波長合分波器と、前記波長合分波器の第３の２×２光カプラ及び前記第４の２×２光カプラの他端側の４つのポートに接続された４つの受光素子を有する受光器アレイとを備えたことを特徴とする光集積回路装置。

１，１０ 光分岐部
２_１〜２_３，１１_１〜１１_３ １×２光カプラ
２_１１〜２_３３，１２_１1〜１２_３３ ポート
３，２０ 光遅延部
４_１〜４_４，２１_１〜２１_４ 遅延導波路
５_１〜５_３，２２_１〜２２_３ リング共振器
６，３０ 光結合部
７_１〜７_４，３１_１〜３１_４ ２×２光カプラ
７_１１〜７_４４，３２_１１〜３２_４４ ポート
８_１〜８_４，３３_１〜３３_４ 光導波路
９_１，３４_１〜３４_３ 交差部
１３_１ 多モード干渉領域
４０ 光変調器アレイ
４１_１〜４１_４ マッハ・ツェンダ変調器
４２ 光源アレイ
４３_１〜４３_４ 半導体レーザ素子
４４_１〜４４_４ リング変調器
４５ 受光器アレイ
４６_１〜４６_４ 受光器
５１ シリコン基板
５２ ＳｉＯ_２膜
５３ 単結晶シリコン層
５４ レジストパターン
５５ コア層
５６ ＳｉＯ_２膜
５７ スラブ部
８０_１〜８０_７ ＤＭＺＩ
８１_１〜８１_７，８２_１〜８２_７ アーム導波路
８３_１〜８３_７，８４_１〜８４_７ 光カプラ
８５_３，８５_５，８５_７ 位相シフタ

Claims (5)

1. 光信号を同振幅に分岐する第１乃至第３の１×２光カプラを有し、前記第１の１×２光カプラの分岐側の第１のポートに接続する第２の１×２光カプラと、前記第１の１×２光カプラの分岐側の第２のポートに接続する第３の１×２光カプラとを備えて４等分岐する光分岐部と、
   前記第２のカプラの分岐側の第１のポートに接続する第１の遅延導波路と、前記第２のカプラの分岐側の第２のポートに接続する第２の遅延導波路と、前記第３のカプラの分岐側の第１のポートに接続する第３の遅延導波路と、前記第３のカプラの分岐側の第２のポートに接続する第４の遅延導波路とがこの順序で配列するように設けられ、前記第１の遅延導波路乃至前記第４の遅延導波路の遅延量が、遅延干渉部の中心波長、回折次数及び導波路の実効屈折率で決まる所定の遅延量ΔＬに対して順に２ΔＬ、０、ΔＬ、及び、３ΔＬになるように前記第１の遅延導波路乃至前記第３の遅延導波路に結合された同一構造のリング共振器を備え、前記第３の遅延導波路の位相シフトΔθが０．５πラジアンであり、且つ、前記第４の遅延導波路のシフト量−Δθが−０．５πラジアンである光遅延部と、
   前記第１の遅延導波路及び前記第２の遅延導波路に接続されて光信号を同振幅に分岐・結合する第１の２×２光カプラと、前記第３の遅延導波路及び前記第４の遅延導波路に接続されて光信号を同振幅に分岐・結合する第２の２×２光カプラと、前記第１の２×２光カプラの他端側の第１のポートに接続する第１の光導波路と前記第２の２×２光カプラの他端側の第１のポートに接続する第３の光導波路とを接続する光信号を同振幅に分岐・結合する第３の２×２光カプラと、前記第１の２×２光カプラの他端側の第２のポートに接続する第２の光導波路と前記第２の２×２光カプラの他端側の第２のポートに接続する第４の光導波路とを接続する光信号を同振幅に分岐・結合する第４の２×２光カプラとを備え、前記第２の光導波路と前記第３の光導波路が互いに交差した交差部を有し、前記第２の光導波路及び前記第３の光導波路の前記第１の光導波路及び前記第４の光導波路に対する位相シフトΔφが０．２５πラジアンである光結合部とを
   有することを特徴とする波長合分波器。
2. 前記各リング共振器は、前記波長合分波器のチャネル間隔ごとに共振ピーク有する周回長を備え、前記各遅延導波路に基づく干渉計の中心波長と前記各リング共振器の中心波長がπラジアン異なることを特徴とする請求項１に記載の波長合分波器。
3. 前記第１の光導波路と前記第４の光導波路が、前記交差部の形状と同じ形状の位相ズレ調整領域を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波長合分波器。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の波長合分波器と、
   前記波長合分波器の第３の２×２光カプラ及び前記第４の２×２光カプラの他端側の４つのポートに接続され互いに異なる波長で発振する第１乃至第４のレーザ素子を有する光源アレイと、
   前記光源アレイからの各波長の信号光を変調する光変調器アレイと
   を備えたことを特徴とする光集積回路装置。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の波長合分波器と、
   前記第３の２×２光カプラ及び前記第４の２×２光カプラの他端側の４つのポートに接続された４つの受光素子を有する受光器アレイと
   を備えたことを特徴とする光集積回路装置。

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