JP2017044781A - 導波路型光回折格子及び光波長フィルタ - Google Patents

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Abstract

【課題】反射スペクトル特性の制御が可能であり、偏波無依存で動作する導波路型光回折格子を提供する。
【解決手段】導波路型光回折格子であって、この導波路型光回折格子を構成する導波路コアは、導波方向に沿って左側導波路領域Ｌ、中央導波路領域Ｃ、右側導波路領域Ｒが設定されている。この導波路型光回折格子の周期は、左側導波路領域Ｌと右側導波路領域Ｒにおいて厚み方向に非対称な構造として形成されている。そして、周期は、変調されている。更に、この導波路型光回折格子を入力方向に進行する前進波と入力方向とは逆方向に進行する反射波との間の位相差を調整する位相調整部ＰＡＰ(長さＱ)が設けられており、位相調整部ＰＡＰにおいて生じる、前進波の位相と反射波の位相の和が位相調整部ＰＡＰへの入力光の偏波状態に関わらず一定値となるように設定されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、偏波無依存で波長選択を行う導波路型光回折格子及び光波長フィルタに関する。
近年、加入者系光アクセスシステムは、1つの局側光回線終端装置（OLT: Optical Line Terminal）と複数の加入者側光回線終端装置（ONU: Optical Network Unit）を、光ファイバ及びスターカプラを介して接続し、OLTを複数のONUが共有する、受動光ネットワーク（PON: Passive Optical Network）通信システムが主流となっている。この通信システムでは、OLTからONUへ向けた下り通信とONUからOLTに向けた上り通信とが相互に干渉し合わないように、下り通信に使われる光信号波長と上り通信に使われる光信号波長とを違えている。
従って、下り通信と上り通信のそれぞれに使われる互いに波長の異なる光信号を分波し、かつ合波するために合分波素子が必要である。一般に、OLTやONUは、波長の異なる光信号を送受信する機能を実現させるために、合分波素子としての光波長フィルタ、フォトダイオード(PD：Photodiode)、レーザーダイオード(LD: Laser diode)を空間結合して構成される。空間結合させるためには、光波長フィルタ、PD、LD間で光軸を合わせるためのアライメント作業が必要となるが、この光軸合わせのための作業を不要とする、導波路を利用して構成される光波長フィルタが開発されている。また、この光波長フィルタを形成するに当たり、小型化と量産性に優れることから、シリコン系素材を導波路材料として用いる技術が注目されている。(例えば、特許文献１〜５参照)。
加入者系光アクセスシステムで使用可能な光波長フィルタには、マッハ-ツェンダ干渉計を利用するもの、方向性光結合器を利用するもの、あるいは導波路型光回折格子を利用するもの等が知られている。シリコン導波路で構成されるマッハ-ツェンダ干渉計を利用する光波長フィルタは、マッハ-ツェンダ干渉計を多段に接続しなければならないため、素子を小型化することが難しい。また、光波長フィルタとして方向性光結合器を利用する場合は透過域内での透過率が波長依存性を有しているため、光源の波長ずれに対して脆弱である。また、方向性光結合器は、その素子長が数百μm程度になるので、この場合も素子を小型化するのが困難である。
導波路型光回折格子を利用した光波長フィルタとしては、シリコン基板を使って形成されるものがある(非特許文献１参照)。また、特許文献６には、多モード導波路におけるモード変換型の導波路型光回折格子を利用した光波長フィルタも開示されている。あるいは、導波路型光回折格子と方向性光結合器を組み合わせて構成された光波長フィルタも開示されている(非特許文献２参照)。
更に、導波路型光回折格子の周期構造に種々の変形領域を形成してその反射スペクトル特性に多様性を持たせた素子が開示されている。例えば、特許文献７には、導波路型光回折格子の途中に1/4波長シフト（λ/4位相シフト）領域を設ける構造が開示され、特許文献８には、導波路型光回折格子の周期が徐々に変化していく構造の光波長フィルタが開示されている。このように構成することによって、透過光スペクトルにおいて非常に細い線幅の透過波長ピークが得られる。
また、導波路型光回折格子として、変調周期回折格子(サンプルドグレーティング)を採用した素子が開示されている（特許文献９及び１０参照）。サンプルドグレーティングによる光波長フィルタは、その透過光スペクトルにおいて、複数の透過波長ピークを有するので、周波数多重による多チャンネルの光信号の波長分離フィルタとして利用して好適である。
米国特許第４，８６０，２９４号明細書 米国特許第５，７６４，８２６号明細書 米国特許第５，９６０，１３５号明細書 米国特許第７，０７２，５４１号明細書 特開平０８−１６３０２８号公報 特開２００６−２３５３８０号公報 特開２００３−３０９３２１号公報 特開平１１−１４８５８号公報 特開２０１３−２５８３９８号公報 特開２０１３−１６６５０号公報
Hirohito Yamada, et. al., "Si Photonic Wire Waveguide Devices" IEICE Transactions of Electronics vol. E90-C, No. 1, pp. 59〜64, January 2007. Wei Shi, et. al., "Add-Drop Filters in Silicon Grating-Assisted Asymmetric Couplers" Optical Fiber Communication Conference 2012 OTh3D.3.
しかしながら、従来の導波路型光回折格子を利用する光波長フィルタは、TM(Transverse Magnetic)偏波に対する回折効率(すなわち反射率)とTE(Transverse Electric)偏波に対する反射率とが異なるので、波長選択機能に偏波依存性がある。
このため、従来の導波路型光回折格子を利用する光波長フィルタは、TM偏波成分とTE偏波成分とが混在した光信号を処理する加入者系光アクセスシステムで利用しにくい。そこで、波長選択特性に偏波依存性が無い導波路型光回折格子を利用する光波長フィルタの実現が望まれる。
そこで、この発明の発明者は、導波路型光回折格子の周期構造をさまざまに変調することによって、反射スペクトル特性（光波長フィルタとしての動作特性）を制御できることに着目した。そして、周期を変調させた導波路型光回折格子であっても、この導波路型光回折格子の厚み方向を非対称にし、TM偏波とTE偏波の重なりが大きい構造とすることで偏波変換を実現できることに思い至った。また、TM偏波基本伝搬モードとTE偏波１次伝搬モードとの間で、両者の伝搬定数を等しくすることで、伝搬モード次数を変換できることに思い至った。ここで、伝搬モードとは伝搬横モードを指し、特に混乱が生じないと思われる場合は、伝搬横モードとは記載せず単に伝搬モードと記載する。
また、偏波変換を実行する素子とブラッグ反射による波長選択機能を実現する素子とを別々に構成し、両者を組み合わせることによって、偏波変換と波長選択とを実現する光波長フィルタについて検討した。
そこで、この発明の目的は、反射スペクトル特性の制御が可能であり、偏波無依存で動作する導波路型光回折格子及び光波長フィルタを提供することにある。
上述の目的を達成するため、この発明の導波路型光回折格子は、以下の特徴を具えている。
導波路型光回折格子を構成する導波路コアは、光の伝搬方向に垂直な厚み方向に非対称であり、この導波路型光回折格子の周期は変調されている。そして、この導波路型光回折格子を入力方向に進行する前進波と入力方向とは逆方向に進行する反射波との間の位相差を調整する位相調整部が設けられており、前進波の位相と反射波の位相の和がこの導波路型光回折格子への入力光の偏波状態に関わらず一定値となるように設定されている。
また、光波長フィルタは、光の伝搬方向に垂直な厚み方向に非対称であり、TM偏波基本伝搬モードの伝搬定数とTE偏波１次伝搬モードの伝搬定数とが等しくなる導波路コア幅を含むテーパ形状の導波路コアで構成される偏波回転素子と、TE偏波基本伝搬モードとTE偏波１次伝搬モードを回折する、上述の導波路型光回折格子を備えている。そして、この偏波回転素子と導波路型光回折格子とが導波方向に直列に接続されている。
この発明の導波路型光回折格子の特徴の一つは、光回折格子としての機能を発現させる周期が変調されていることにある。このため、反射スペクトル特性を一定程度自在に設定することが可能であり、光波長フィルタとして利用することを想定すると用途に応じて動作特性を設計できるという格別の効果が得られる。
また、上述したように、この導波路型光回折格子を構成する導波路コアが厚み方向に非対称であるから、この導波路型光回折格子を入力光の入力方向に進行する前進波の偏波状態を反射波の偏波状態に回折することが可能である。そのため、前進波の偏波状態を反射波の偏波状態に交換することが可能となる。
この結果、この導波路型光回折格子へTE偏波基本伝搬モードを入力し、TM偏波基本伝搬モードに変換して出力させ、逆にTM偏波基本伝搬モードを入力し、TE偏波基本伝搬モードに変換して出力させることが可能となる。あるいは、この導波路型光回折格子へTE偏波基本伝搬モードを入力し、TE偏波１次伝搬モードに変換して出力させ、逆にTE偏波１次伝搬モードを入力し、TE偏波基本伝搬モードに変換して出力させることが可能となる。
更に、導波路型光回折格子の周期は変調されていても、前進波と反射波との間の位相差を調整する位相調整部を設けることによって、TM偏波成分とTE偏波成分の相互偏波変換が偏波無依存で実現可能であるという効果が得られる。
一方、この発明の光波長フィルタによれば、偏波回転素子によってTM偏波基本伝搬モードからTE偏波１次伝搬モードへの変換が行え、導波路型光回折格子によってTE偏波基本伝搬モードからTE偏波１次伝搬モードへの変換、あるいはTE偏波１次伝搬モードからTE偏波基本伝搬モードへの変換が行われる。また、この発明の光波長フィルタは、偏波回転素子と、上述の導波路型光回折格子とが導波方向に直列に接続された構成であるので、偏波回転素子の動作特性に加えて、導波路型光回折格子の動作特性が加わる。その結果、この発明の光波長フィルタによれば、入力光がTM偏波基本伝搬モードであれば、出力光はTE偏波基本伝搬モードに変換され、逆に入力光がTE偏波基本伝搬モードであれば、出力光はTM偏波基本伝搬モードに変換されるという効果が得られる。
(A)〜(C)は、導波路型光回折格子の基本構成の説明に供する図である。 導波路型光回折格子を構成する導波路コアの平面形状を概略的に示す図であり、(A)は位相シフトタイプ、(B)はサンプルドグレーティングタイプ、(C)は超周期グレーティングタイプの導波路型光回折格子を示す概略的平面図である。 偏波回転素子と導波路型光回折格子が導波方向に直列に接続された光波長フィルタにつての説明に供する図である。 位相シフトタイプの導波路型光回折格子の反射スペクトル及び透過スペクトルを示す図である。 サンプルドグレーティングタイプの導波路型光回折格子の反射スペクトルを示す図である。 超周期グレーティングタイプの導波路型光回折格子の反射スペクトルを示す図である。 光波長フィルタの反射スペクトル及び透過スペクトルを示す図であり、偏波回転素子として幅テーパ導波路を使用し、導波路型光回折格子として位相調整部に1/4波長シフト構造を設けた導波路型光回折格子を使用している。 光波長フィルタの反射スペクトルを示す図であり、偏波回転素子として幅テーパ導波路を使用し、導波路型光回折格子として超周期グレーティングタイプの導波路型光回折格子を使用している。
以下、図を参照して、この発明の実施形態につき説明する。なお、図１〜３は、この発明の実施形態に係る構成例を示すものであり、この発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の構成素材及び設計条件等を用いることがあるが、これら構成素材及び設計条件等は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。
≪導波路型光回折格子の基本構成≫
図１を参照して、導波路型光回折格子の周期構造（導波路の等価屈折率を周期的に変化させてある構造）を構成する基本形態につき説明する。図１に示す導波路型光回折格子はその等価屈折率の変化の周期が一定に設定されたブラッグ反射型光回折格子である。ここでは、等価屈折率を変化させるための基本形態を説明することを目的に、周期については変調を加えていない単純な構成を取り上げているが、この発明の導波路型光回折格子は、後述するようにこの周期が変調されている。
図１に示す導波路型光回折格子は、この導波路型光回折格子を構成する導波路コア3がクラッド層2で囲まれ、導波路コア3とクラッド層2は基板1上に形成されている。例えば、導波路コア3と基板1はシリコン材で形成され、クラッド層2は酸化シリコン材で形成される。ここでは、導波路コア3に導波方向に沿って左側導波路領域L、中央導波路領域C及び右側導波路領域Rを設定する。
ここで、説明の便宜上、図１に示すように、導波方向をz軸方向とし、導波路の幅方向をy軸方向、導波路の深さ方向をx軸方向と定義する。
図１では、TM偏波が導波路型光回折格子に入力されて（入力光4a）、ブラッグ反射されてTE偏波として出力される（出力光4b）様子を示している。あるいは、TE偏波が導波路型光回折格子に入力されて（入力光4a）、ブラッグ反射されてTM偏波として出力される（出力光4b）様子を示していると想定してもよい。
入力光4aの偏波方向と出力光4bの偏波方向とが互いに直交する直交偏波の関係となるようにするには、導波路コア3の左側導波路領域Lと右側導波路領域Rがx軸方向（導波路コアの厚み方向）に非対称となっていることが必要である。
一般に、導波路を伝搬する光の光線の方向は、導波路の中心方向とは一致せず、一定の角度で傾いている。従って、導波路を伝搬するTE偏波及びTM偏波の振動方向を示す振幅ベクトルは、導波方向をz軸方向にとった場合、x軸成分、y軸成分の外にz軸成分を有している。
すなわち、入力光4aと出力光4bが互いに同一の伝搬横モードであって、左側導波路領域Lと右側導波路領域Rの深さ方向(x軸方向)に非対称となるように形成されていて、これによって、TM偏波成分とTE偏波成分が共通でもっている伝搬方向の電場成分(ｚ軸方向成分)を介してTM偏波成分とTE偏波成分が交換される。そして、このような構成とすることによって、導波路型光回折格子において、伝搬するTM偏波成分とTE偏波成分の重なり積分で与えられる回折効率を大きくすることができる。すなわち、TM偏波である入力光4aに対して出力光4bはTE偏波となり、TE偏波である入力光4aに対して出力光4bはTM偏波となる。つまり、入力光の偏波に対して出力光の偏波は直交偏波となり、入力光の偏波方向に依存せず同一の強度の出力光が得られることとなる。
図１(A)は、左側導波路領域Lと右側導波路領域Rに、導波方向に対して垂直方向に周期的に抉られた箇所を設けて、これ以外の箇所は導波路の厚みをそのまま残して形成された導波路型光回折格子を示している。以後、この形態の導波路型光回折格子をタイプAということもある。
タイプAの導波路型光回折格子では、左側導波路領域Lの幅と右側導波路領域Rの幅は等しく、左側導波路領域Lと右側導波路領域Rには、周期的に抉られた箇所（以後、第１の箇所3aという）が設けられている。第１の箇所3aではｘ軸方向の掘り込みの深さDを中央導波路領域Cの導波路の厚みより小さくしている。この結果、第１の箇所3aには、導波路コアが残るため、x軸方向（導波路コアの厚み方向）に非対称となる。
第１の箇所3aは、中央導波路領域Cを中心として左右反対称の位置に配置されている。左側導波路領域Lと右側導波路領域Rの第１の箇所3a以外の箇所である第２の箇所3bは、中央導波路領域Cの導波路の厚みと等しくしてある。第３の箇所3cは、中央導波路領域Cを形成している導波路コアの部分である。
第１の箇所3aを、中央導波路領域Cを中心として左右反対称の位置に配置することによって、タイプAの導波路型光回折格子に対する入力光4aと出力光4bが互いに同一の伝搬横モードとなるように設定できる。
第１の箇所3aの中央導波路領域Cの導波路の厚みから抉る掘り込みの深さDを小さく形成するほど製造プロセスが容易である。一方、掘り込みの深さDを浅くすると、導波路コア3に励起される伝搬横モードが多数発生し、分離されて出力される出力光の波長及び伝搬横モードに複数の雑音成分(選択されるべき波長及び伝搬横モード以外の光成分)を含み、波長選択が十分行われない恐れが生じる。
導波路コア3を伝搬する光は、中央導波路領域Cを伝搬する光電場成分が感応する屈折率よりも、左側導波路領域L及び右側導波路領域Rを伝搬する光電場成分が感応する屈折率が実質的に小さい。１次伝搬モードの光電場分布は導波路コア3の両側面で強く導波路コア3の中心で弱い、これに対して基本伝搬モードの光電場分布は、導波路コアの中心で強く、導波路コアの両側面で弱い。このため１次伝搬モードの等価屈折率は、基本伝搬モードの等価屈折率より小さい。したがって、TM偏波成分の基本伝搬モードに対する等価屈折率よりも、TE偏波成分の１次伝搬モードに対する等価屈折率が小さくなる。
その結果、TE偏波基本伝搬モードからTE偏波１次伝搬モードへの回折波長と、TE偏波基本伝搬モードからTM偏波基本伝搬モードへの回折波長との波長差を大きくすることができ、TE偏波１次伝搬モードへの回折波とTM偏波基本伝搬モードへの回折波とを分離しやすくなる。すなわち、タイプAの導波路型光回折格子によれば、出力光は雑音成分(選択されるべきブラッグ反射光以外の波長成分)が少なく優れた波長選択性が実現され、かつ、優れた偏波面選択性が実現される。
図１(B)は、左側導波路領域Lと右側導波路領域Rの抉られた箇所以外の箇所の厚みが０となるように形成された導波路型光回折格子の実施形態を示している。以後、この形態の導波路型光回折格子をタイプBということもある。
タイプBの導波路型光回折格子は、図１(B)に示すように、左側導波路領域Lと右側導波路領域Rの第２の箇所3bが完全に除去されてこの部分の厚みが０となるように形成されている。すなわち、第１の箇所3a（この部分の導波路コアの厚みは中央導波路領域Cの厚みからDだけ削減されている）を残して、第２の箇所3bには導波路コアが存在しないように形成されている。左側導波路領域Lの幅と右側導波路領域Rの幅は等しく、第１の箇所3aは中央導波路領域Cを中心として左右反対称の位置に配置されている。第３の箇所3cは、中央導波路領域Cを形成している導波路コアの部分である。
タイプBの導波路型光回折格子では、第２の箇所3bが完全に除去されてこの部分の厚みが０となるように形成される。このため、中央導波路領域Cを伝搬する光電場成分が感応する屈折率と、左側導波路領域L及び右側導波路領域Rを伝搬する光電場成分が感応する屈折率との差がより効果的に大きくされている。したがって、波長選択性に優れる導波路型光回折格子となる。第２の箇所3bの厚みが０となるように形成することによって、TM偏波基本伝搬モードに対する等価屈折率よりも、TE偏波１次伝搬モードに対する等価屈折率がより効果的に小さくできる。そのため、TE偏波基本伝搬モードからTE偏波１次伝搬モードへの回折波長が、TE偏波基本伝搬モードからTM偏波基本伝搬モードへの回折波長から離れるという効果が得られる。したがってタイプBの導波路型光回折格子によれば、より一層、出力光は雑音成分が少なく優れた波長選択性が実現され、かつ、優れた偏波面選択性が実現される。
タイプA及びタイプBの導波路型光回折格子において、第１の箇所3aを、中央導波路領域Cを中心として左右反対称の位置に配置することによって、導波路コア3に対する入力光4aと出力光4bが互いに同一次数の伝搬横モードとなるように設定できる。
図１(C)は、導波路の左側導波路領域Lと右側導波路領域Rに周期的に切込みを入れてあり、導波方向に垂直な方向に切断した断面形状が台形に形成された導波路型光回折格子を示している。以後、この形態の導波路型光回折格子をタイプCということもある。
タイプCの導波路型光回折格子は、図１(C)に示すように、導波方向に垂直な方向に切断した断面形状Sが台形（両底角をθとしてある）となっている。そして、導波路コア3の両側面に、導波方向に垂直な方向に、等間隔で溝3aを形成して、回折格子を構成している。断面形状を台形とすることで、導波路コア3の左側導波路領域Lと右側導波路領域Rがx軸方向（導波路コアの厚み方向）に非対称となっている。
溝3aは中心部分3cに対して互いに反対称に形成されている。これによって、タイプCの導波路型光回折格子に対する入力光4aと出力光4bが互いに同一次数の伝搬横モードとなるように設定できる。
タイプCの導波路型光回折格子を伝搬する光の光線の方向は、導波路の中心方向とは一致せず、一定の角度で傾いている。従って、導波路を伝搬するTE偏波及びTM偏波の振動方向を示す振幅ベクトルは、ｘ軸成分、ｙ軸成分の外にｚ軸成分を有している。そして、ｚ軸方向に垂直な方向に切断した断面形状が非対称である導波路（ここでは台形導波路）によれば、この導波路を伝搬するTE偏波及びTM偏波のZ軸方向成分の重なりを大きく設定することが可能となる。このため、TE偏波及びTM偏波のｚ軸方向成分を介してTE偏波とTM偏波をカップリングさせることができる。
＜周期を変調させた導波路型光回折格子＞
図２を参照して、導波路型光回折格子に設定される変調周期構造について説明する。
上述の導波路型光回折格子の基本構成では、周期を変調していない例を説明した。しかしながら、この発明の導波路型光回折格子には、この周期が一定の規則の下で変調され、かつ、この導波路型光回折格子を入力方向に進行する前進波と入力方向とは逆方向に進行する反射波との間の位相差を調整する位相調整部が設けられている。そこで、この発明の導波路型光回折格子に設定される変調周期構造及び位相調整部について図２を参照して説明する。
図２は、導波路型光回折格子を構成する導波路コアの平面形状を概略的に示す図であり、周期の変調のタイプを３通りに分けて示してある。図２では、説明の便宜上、導波路型光回折格子を構成する導波路コアに導波方向に沿って左側導波路領域L、中央導波路領域C、右側導波路領域Rを設定する。左側導波路領域Lの幅と右側導波路領域Rの幅は等しい。
図２(A)を参照して、導波路型光回折格子を構成する導波路コアに周期構造を破る位相シフト部32が設けられており、位相シフト部32を含んで位相調整部（PAP: Phase adjustment portion）が設定されている導波路型光回折格子（以後、位相シフトタイプの導波路型光回折格子ということもある）について説明する。
左側導波路領域Lと右側導波路領域Rには、位相調整部PAPを除き周期的に溝Fが設けられ、溝Fは、中央導波路領域Cを中心として左右反対称の位置に配置されている。位相シフトタイプの導波路型光回折格子は、周期的に溝Fが設けられた通常のタイプの導波路型光回折格子を等しい長さに区切った第１ユニット31aと第２ユニット31bを、位相調整部PAPを挟んで接合して構成される。
そして、位相調整部PAPの部分の導波方向に沿った長さをQと定義する。長さQは、位相調整部PAPの部分において、前進波の位相と反射波の位相の和が、位相調整部PAPの部分を伝搬する光の偏波状態に関わらず一定値となるように設定する。図２(A)に示す導波路型光回折格子において、この長さQは次のように決められる。第１ユニット31aと第２ユニット31bに形成されている溝Fの周期をΛとし、fを2以上の整数として、Q＝Λ/fとする。
ここでf＝2であれば1/4波長シフト構造となる。f＝2の構造では、ブラッグ反射波長スペクトルの中央に、光が透過する狭い波長帯域が生じる。fの値を3、4、…と変えて長さQを設定するとこの波長透過帯域は、波長スペクトルにおいてブラッグ反射帯域の端から他の端まで移動していく。
第１ユニット31aと第２ユニット31bにおいて、溝Fを、左側導波路領域Lと右側導波路領域Rとで互いに反対称となるように設けてある。このように溝Fの位置を互いに反対称となるように設けることによって、この導波路型光回折格子に対する入力光4aと出力光4bとを互いに同一の、構造によっては偏波の異なる、伝搬横モードとすることができる。
図２(A)では第１ユニット31aと第２ユニット31bの二つのユニットしか使用していないが、第１ユニット31aと第２ユニット31bの二つのユニットと同一形状のユニット構造を三つ以上直列に配置して構成することもできる。このようにユニット構造の数を変えることによって、反射スペクトル特性を変えることが可能である。
図２(B)を参照して、導波路型光回折格子を構成する導波路コアが、周期構造が形成されていない非光回折格子領域と、この非光回折格子領域に隣接して設けられる周期構造が形成された光回折格子領域とからなるユニット領域が導波方向に複数連続して設けられており、非光回折格子領域に位相調整部PAPが設定されている導波路型光回折格子（以後、サンプルドグレーティングタイプの導波路型光回折格子ということもある）について説明する。
左側導波路領域Lと右側導波路領域Rには、位相調整部PAPを除き周期的に溝Fが設けられ、溝Fが形成されている位置は、中央導波路領域Cを中心として左右反対称の位置に配置されている。
図２(B)には、第１ユニット33a、第２ユニット33b、及び第３ユニット33cが示してあるが、各ユニットにおいて、周期的に溝Fが形成されている光回折格子領域34と、溝Fが形成されていない非光回折格子領域35が設けられている。このような同種のユニットを複数直列に接続することによって、サンプルドグレーティングタイプの導波路型光回折格子が形成される。第１ユニット33a等の各ユニットの導波方向に沿った長さをユニット周期Zsとすると、ブラッグ反射波長スペクトルには、ngfを前進波の群屈折率とし、ngbを反射波の群屈折率として、次式(1)で与えられる波長周期で複数の反射ピークが現れる。
Δλ＝λ2/[(ngf＋ngb)Zs] （1）
また、位相調整部PAPは、周期構造が形成されていない非光回折格子領域35に、隣接して配置されたユニット間の境目から長さQにわたって設定されている。
図２(C)を参照して、光回折格子としての周期がチャープされて形成されたユニット領域が、導波路コアの導波方向に複数連続して設けられており、隣接するユニット領域の境界を中心として位相調整部PAPが設定されている導波路型光回折格子（以後、超周期グレーティングタイプの導波路型光回折格子ということもある）について説明する。
左側導波路領域Lと右側導波路領域Rには、溝Fが設けられ、溝Fが形成されている位置は、中央導波路領域Cを中心として左右非対称の位置に配置されている。位相調整部PAPは、隣接して配置されるユニット間の境目（周期構造が形成されていない非光回折格子領域の中心）を含んで長さQにわたって設定されている。
図２(C)には、第１ユニット36a、第２ユニット36b、及び第３ユニット36cが示してある。第１〜第３ユニットに加えて、一つ以上の同種のユニットを直列に接続することによって、超周期グレーティングタイプの導波路型光回折格子が形成される。第１ユニット36a等の各ユニットの導波方向に沿った長さをユニット周期Zsとすると、周期がチャープされた超周期グレーティングがZsの周期で繰り返す構造になっている。超周期グレーティングにおけるチャープの掛け方を調整することによって、ブラッグ反射波長スペクトルにおいて、複数のブラッグ反射ピークの高さを揃えることが可能となる。
ここで、図２(A)〜(C)で示した導波路型光回折格子の動作特性を説明する。図２(A)〜(C)に示した導波路型光回折格子には位相調整部PAPが設けてある。この位相調整部PAPの導波方向に沿った長さをQとし、位相調整部PAPで生じる、前進波の位相と反射波の位相の和をφとする。この場合、導波路型光回折格子における反射によって偏波あるいはモード変換が生じるので、前進波の位相と反射波の位相の和φは、ｋを真空中における前進波と反射波の波数、nfを前進波の等価屈折率、nbを反射波の等価屈折率として、次式(2)で与えられる。
φ＝ｋQ（nf＋nb） (2)
図２(A)〜(C)で示した導波路型光回折格子への入力光が、TE偏波入力では、nf＝n(e)、nb＝n(m)であるが、TM偏波入力では、nf＝n(m)、nb＝n(e)である。ここで、n(e)はTE偏波基本伝搬モードの等価屈折率、n(m)はTM偏波基本伝搬モードの等価屈折率である。入力光がTE偏波であってもTM偏波であっても位相調整部PAPで同じ位相φが生じるので、偏波無依存な特性が期待される。
位相調整部PAPにおいて、前進波がTE偏波基本伝搬モードで反射波がTE偏波１次伝搬モードである場合は、nf＝n(e0)、nb＝n(e1)である。一方、前進波がTE偏波１次伝搬モードで反射波がTE偏波基本伝搬モードである場合は、nf＝n(e1)、nb＝n(e0)である。ここで、n(e0)はTE偏波基本伝搬モードの等価屈折率、n(e1)はTE偏波１次伝搬モードの等価屈折率である。このような場合であっても、位相調整部PAPで同じ位相φが生じるので、偏波無依存な特性が期待される。
≪光波長フィルタ≫
図３を参照して、偏波回転素子と、上述の図２を参照して説明した導波路型光回折格子が導波方向に直列に接続された光波長フィルタにつて説明する。この光波長フィルタは、偏波変換機能とブラッグ回折作用を別々に実現して、全体として偏波変換しながら偏波無依存で光波長フィルタを実現する素子である。
図３に示す光波長フィルタを構成する入出力導波路22、偏波回転素子21、導波路型光回折格子23の導波路コアがクラッド層（図示を省略してある）で囲まれ、導波路コアとクラッド層は基板（図示を省略してある）上に形成されている。例えば、導波路コアと基板はシリコン材で形成され、クラッド層は酸化シリコン材で形成される。
図３(A)に示す光波長フィルタは、偏波回転素子21として幅テーパ導波路が使われている。偏波回転素子21を構成している導波路コアは、導波方向に垂直に切断した断面形状が長方形であり、導波路コアの光の伝搬方向に沿った両側にテラス状構造21sが形成されている。偏波回転素子21において、テーパ形状の導波路コアの導波路幅とテラス状構造21Sの寸法（テラス部分の幅と厚み）とが偏波回転が発現する条件を満たす個所が存在する。このため、TM偏波基本伝搬モードの光とTE偏波基本伝搬モードの光のいずれか一方、あるいは両者が混合された入力光がテーパ形状の導波路コアへ入力されると、TM偏波基本伝搬モードの光に対しては偏波回転させてTE偏波１次伝搬モードに変換して、TE偏波基本伝搬モードの光に対しては無変換で出力される。
図３(B)に示す光波長フィルタは、偏波回転素子21として幅テーパ導波路が使われており、偏波回転素子21を構成している導波路コアは、導波方向に垂直に切断した断面形状が台形であり、偏波回転が発現する条件を満たす導波路幅となっている個所が存在する。このため、TM偏波基本伝搬モードの光とTE偏波基本伝搬モードの光のいずれか一方、あるいは両者が混合された入力光がテーパ形状の導波路コアへ入力されると、TM偏波基本伝搬モードの光に対しては偏波回転させてTE偏波１次伝搬モードに変換して、TE偏波基本伝搬モードの光に対しては無変換で出力される。
図３(A)あるいは図３(B)に示す光波長フィルタのいずれにおいても、入出力導波路22、偏波回転素子21、導波路型光回折格子23が、この順で導波方向に直列に接続されている。入出力導波路22へは入力光6aが入力され、出力光6bが出力される。導波路型光回折格子23はTE偏波基本伝搬モードをTE偏波１次伝搬モードに変換して出力する素子である。また、この逆にTE偏波１次伝搬モードをTE偏波基本伝搬モードに変換して出力する素子である。
導波路型光回折格子23として、上述の図２(A)〜(C)で示した導波路型光回折格子が利用でき、また、導波路型光回折格子23において、TE偏波基本伝搬モードをTE偏波１次伝搬モードに回折する周期としている。
以上説明したように、図３(A)及び(B)の何れに示した光波長フィルタであっても、入出力導波路22への入力光6aがTE偏波基本伝搬モードである場合、偏波回転素子21をそのまま通過し、導波路型光回折格子23でTE偏波１次伝搬モードに変換され、再び偏波回転素子21に入力されてTM偏波基本伝搬モードに変換されて出力光6bとして出力される。すなわち、この場合は、導波路型光回折格子23で波長選択(光波長フィルタリング)され、TE偏波基本伝搬モードからTM偏波基本伝搬モードに変換される。
また、入出力導波路22への入力光6aがTM偏波基本伝搬モードである場合、偏波回転素子21でTE偏波１次伝搬モードに変換され、導波路型光回折格子23でTE偏波１次伝搬モードからTE偏波基本伝搬モードに変換され、再び偏波回転素子21に入力される。その後、TE偏波１次伝搬モードからTE偏波基本伝搬モードに変換されて出力光6bとして出力される。すなわち、この場合は、導波路型光回折格子23で波長選択され、TM偏波基本伝搬モードからTE偏波基本伝搬モードに変換される。
いずれにしても、図３(A)及び(B)に示す光波長フィルタによれば、TM偏波基本伝搬モードの入力光に対しても、TE偏波基本伝搬モードの入力光に対しても、偏波方向にかかわらず光波長フィルタリングが実行される。しかも、入力光の偏波方向と出力光の偏波方向は直交する方向となる。導波路型光回折格子23を入力方向に進行する前進波と入力方向とは逆方向に進行する反射波は次数の異なるモードであり、これらの間の位相差を調整する位相調整部が設けられている。位相調整部は、当該位相調整部において生じる前進波の位相と反射波の位相の和が、入力モード次数に関わらず一定値となるように設定されている。
≪動作特性のシミュレーション≫
図４〜６を参照して、３次元FDTD（Finite Difference Time Domain）法を使用して、図２(A)〜(C)に示す形態の導波路型光回折格子の動作をシミュレーションした結果について説明する。図４〜６において、横軸は波長をμm単位で目盛って示してあり、縦軸はブラッグ反射率をdB目盛で目盛って示してある。
図４に、位相調整部として1/4波長シフト構造を設けた場合について、図２(A)に示した位相シフトタイプの導波路型光回折格子の反射スペクトル及び透過スペクトルを示す。図４(A)は反射スペクトルを示す図であり、図４(B)は透過スペクトルを示す図である。ここでは、図１(A)に示したタイプAの導波路型光回折格子を対象にシミュレーションを行った。シリコン導波路コアの厚みは300 nm、シリコン導波路コアの全幅は600 nm、左側導波路領域L、及び右側導波路領域Rの幅はそれぞれ150 nm、溝の深さDは80 nm、位相シフトタイプの導波路型光回折格子の全長は100μmとしてある。
TE偏波が入力されてTM偏波として出力されたブラッグ反射率及び透過率を薄色の実線で示し、TM偏波が入力されてTE偏波として出力されたブラッグ反射率及び透過率を破線で示してある。1/4波長シフト構造特有の、ブラッグ反射域内の中央にシャープな透過ピーク（図４(A)において下向きの矢印で示すディップ）が現れている。図４に示すように、TE偏波入力とTM偏波入力に対してほぼ同じ波長特性が得られている。
図５は、図２(B)に示したサンプルドグレーティングタイプの導波路型光回折格子の反射スペクトルを示す図である。ここでは、図１(B)に示したタイプBの導波路型光回折格子を対象にシミュレーションを行った。シリコン導波路コアの厚みは300 nm、シリコン導波路コアの全幅は600 nm、左側導波路領域L、及び右側導波路領域Rの幅はそれぞれ150 nm、左側導波路領域L、及び右側導波路領域Rにおける第１の箇所3aは、図１(B)に示すDを80 nm、サンプルドグレーティングタイプの導波路型光回折格の全長は100μmとしてある。各ユニットの長さZsは25μmである。各ユニットにおいて半分の長さにわたって光回折格子が設けられている。
図５において、TE偏波が入力されてTM偏波として出力されたブラッグ反射率を薄色の実線で示し、TM偏波が入力されてTE偏波として出力されたブラッグ反射率を破線で示してある。図５に示すように、TE偏波入力とTM偏波入力に対してほぼ同じ波長特性が得られている。
図６は、図２(C)に示した超周期グレーティングタイプの導波路型光回折格子の反射スペクトルを示す図である。図１(B)に示したタイプBの導波路型光回折格子を対象にシミュレーションを行った。シリコン導波路コアの厚みは300 nm、シリコン導波路コアの全幅は600 nm、左側導波路領域L、及び右側導波路領域Rの幅はそれぞれ150 nm、左側導波路領域L、及び右側導波路領域Rにおける第１の箇所3aは、図１(B)に示すDを80 nm、超周期グレーティングタイプの導波路型光回折格子の全長は100μmとしてある。周期は313 nm〜323.5 nmの範囲でチャーピングしてある。各ユニットの長さZsは25μmである。
図６において、TE偏波が入力されてTM偏波として出力されたブラッグ反射率を薄色の実線で示し、TM偏波が入力されてTE偏波として出力されたブラッグ反射率を破線で示してある。図６に示すように、TE偏波入力とTM偏波入力に対してほぼ同じ波長特性が得られている。
図７に、図３(A)に示した光波長フィルタの反射スペクトル及び透過スペクトルを示す。図７(A)は反射スペクトルを示す図であり、図７(B)は透過スペクトルを示す図である。図７において、TE偏波が入力されてTM偏波として出力されたブラッグ反射率及び透過率を薄色の実線で示し、TM偏波が入力されてTE偏波として出力されたブラッグ反射率及び透過率を破線で示してある。ここでは、偏波回転素子21として幅テーパ導波路を使用し、テーパ形状の導波路コアの部分を導波方向に垂直に切断した断面形状が長方形であり、この幅テーパ導波路部の両側がテラス状構造21sとされているものとした。また、導波路型光回折格子23として図１(A)に示したタイプAの導波路型光回折格子とし、位相調整部PAPとして1/4波長シフト構造を設けた場合についてシミュレーションを行った。
導波路型光回折格子23のシリコン導波路コアの厚みは300 nm、シリコン導波路コアの全幅は600 nm、左側導波路領域L、及び右側導波路領域Rの幅はそれぞれ150 nm、溝の深さDは80 nm、タイプAの導波路型光回折格子の全長は100μmとしてある。光回折格子としての周期は305 nmとしてある。また、偏波回転素子21はテラス状構造で厚みは導波路型光回折格子23と同じで、テラス部分を含めた導波路幅は550から650nmまでテーパし、テラス部分の幅は片側150nmに設定した。テラス状構造は、図３(A)に示す段差Dを80nmに設定して実現されているものとした。
図７に示すように、TE偏波入力とTM偏波入力に対してほぼ同じ波長特性が得られている。また、導波路型光回折格子23として図１(A)に示したタイプAの導波路型光回折格子を用いた関係で、1/4波長シフト構造特有の、ブラッグ反射域内の中央にシャープな透過ピーク（図７(A)において下向きの矢印で示すディップ）が現れている。
広い波長帯域にわたってブラッグ反射を得るためには、回折効率の高い導波路型光回折格子が必要であるが、図３(A)に示した光波長フィルタの構造は、導波路型光回折格子23において、前進波と反射波が共に偏波方向が等しいTE偏波同士であるため回折効率(反射率)が高い。このため、図３(A)に示した光波長フィルタに利用する導波路型光回折格子23は好適な構造である。この種のグレーティングには向いている。なお、ブラッグ反射域内の中央ピークは、フラット特性になっているが、これは導波路型光回折格子23内での多重反射の影響と思われる。
図８は図３(A)に示した光波長フィルタの反射スペクトルを示す図である。ここでは、光波長フィルタの導波路型光回折格子23として図２(C)に示した超周期グレーティングタイプの導波路型光回折格子を採用した以外は、図７でシミュレーションを行った光波長フィルタと同一の構造である。導波路型光回折格子23の全長は100μmとしてある。周期は313 nm〜323.5 nmの範囲でチャーピングしてある。各ユニットの長さZsは25μmである。
図８において、TE偏波が入力されてTM偏波として出力されたブラッグ反射率を薄色の実線で示し、TM偏波が入力されてTE偏波として出力されたブラッグ反射率を破線で示してある。図８に示すように、複数のブラッグ反射ピークが現れており、TE偏波入力とTM偏波入力に対してほぼ同じ波長特性が得られている。複数のブラッグ反射ピークが現れるのは、光波長フィルタの導波路型光回折格子23として超周期グレーティングタイプの導波路型光回折格子を採用した結果である。
1：基板
2：クラッド層
3：導波路コア
4a：入力光
4b：出力光
21：偏波回転素子
21s：テラス状構造
22：入出力導波路
23：導波路型光回折格子
31a、33a、36a：第１ユニット
31b、33b、36b：第２ユニット
32：位相シフト部
33c、36c：第３ユニット
34：光回折格子領域
35：非光回折格子領域
PAP：位相調整部
L：左側導波路領域
C：中央導波路領域
R：右側導波路領域

Claims (12)

  1. 導波路型光回折格子であって、
    当該導波路型光回折格子を構成する導波路コアは、光の伝搬方向に垂直な厚み方向に非対称であり、
    当該導波路型光回折格子を入力方向に進行する前進波と入力方向とは逆方向に進行する反射波との間の位相差を調整する位相調整部が設けられており、
    前記位相調整部は、当該位相調整部において生じる前進波の位相と反射波の位相の和が、当該導波路型光回折格子への入力光の偏波状態に関わらず一定値となるように設定されている
    ことを特徴とする導波路型光回折格子。
  2. 請求項１に記載の導波路型光回折格子であって、
    当該導波路型光回折格子を構成する導波路コアは、周期構造を破る位相シフト部が設けられており、
    前記位相シフト部を含んで前記位相調整部が設定されている
    ことを特徴とする導波路型光回折格子。
  3. 請求項１に記載の導波路型光回折格子であって、
    当該導波路型光回折格子を構成する導波路コアは、周期構造が形成されていない非光回折格子領域と、当該非光回折格子領域に隣接して設けられる周期構造が形成された光回折格子領域とからなるユニット領域が当該導波路コアの導波方向に複数連続して設けられており、
    前記非光回折格子領域に前記位相調整部が設定されている
    ことを特徴とする導波路型光回折格子。
  4. 請求項１に記載の導波路型光回折格子であって、
    当該導波路型光回折格子を構成する導波路コアは、光回折格子としての周期がチャープされて形成されたユニット領域が、当該導波路コアの導波方向に複数連続して設けられており、隣接するユニット領域の境界を中心として前記位相調整部が設定されている
    ことを特徴とする導波路型光回折格子。
  5. 請求項２〜４のいずれか一項に記載の導波路型光回折格子であって、
    当該導波路型光回折格子の導波路を構成する導波路コアは、導波方向に沿って左側導波路領域、中央導波路領域、右側導波路領域が設定されており、
    前記左側導波路領域の幅と前記右側導波路領域の幅は等しく、
    前記左側導波路領域と前記右側導波路領域には、当該導波路コアの厚みが前記中央導波路領域の厚みと等しい箇所と、前記中央導波路領域の厚みより薄くなるように抉り当該導波路コアを厚み方向に非対称とされた個所を交互に設けた、前記光回折格子領域が形成されており、
    前記左側導波路領域と前記右側導波路領域の、前記中央導波路領域の厚みと等しい箇所と前記中央導波路領域の厚みより薄い個所は、前記中央導波路領域を中心として左右反対称の位置に配置されている
    ことを特徴とする導波路型光回折格子。
  6. 請求項２〜４のいずれか一項に記載の導波路型光回折格子であって、
    当該導波路型光回折格子の導波路を構成する導波路コアは、導波方向に沿って左側導波路領域、中央導波路領域、右側導波路領域が設定されており、
    前記左側導波路領域の幅と前記右側導波路領域の幅は等しく、
    前記左側導波路領域と前記右側導波路領域には、前記中央導波路領域の厚みより薄くなるように抉り当該導波路コアを厚み方向に非対称とされた個所と、完全に除去されて当該部分の厚みが０となる個所を交互に設けた前記光回折格子領域が形成されており、
    前記左側導波路領域と前記右側導波路領域の、前記中央導波路領域の厚みより薄い個所と、完全に除去されて当該部分の厚みが０である個所は、前記中央導波路領域を中心として左右反対称の位置に配置されている
    ことを特徴とする導波路型光回折格子。
  7. 光の伝搬方向に垂直な厚み方向に非対称であり、TM(Transverse Magnetic)偏波基本伝搬モードの伝搬定数とTE(Transverse Electric)偏波１次伝搬モードの伝搬定数とが等しくなる導波路コア幅を含むテーパ形状の導波路コアで構成される偏波回転素子と、
    請求項２〜６のいずれか一項に記載の導波路型光回折格子であって、TE偏波基本伝搬モードの伝搬定数とTE偏波１次伝搬モードの伝搬定数とが等しくされた導波路型光回折格子を備え、
    前記偏波回転素子と前記導波路型光回折格子とが導波方向に直列に接続されている
    ことを特徴とする光波長フィルタ。
  8. 前記偏波回転素子は、
    前記テーパ形状の導波路コアは、導波方向に垂直に切断した断面形状が台形であり、偏波回転が発現する条件を満たす導波路幅となっている個所が存在し、
    TM偏波基本伝搬モードの光とTE偏波基本伝搬モードの光のいずれか一方、あるいは両者が混合された入力光が入力され、TM偏波基本伝搬モードの光に対しては偏波回転させてTE偏波１次伝搬モードに変換して出力し、TE偏波基本伝搬モードの光に対しては無変換で出力する
    ことを特徴とする請求項７に記載の光波長フィルタ。
  9. 前記偏波回転素子は、
    前記テーパ形状の導波路コアは、導波方向に垂直に切断した断面形状が長方形であり、当該テーパ形状の導波路コアの光の伝搬方向に沿った両側がテラス状構造とされており、
    当該テーパ形状の導波路コアの導波路幅とテラス状構造のテラス部分の幅と厚みの寸法が、偏波回転が発現する条件を満たす個所が存在し、
    TM偏波基本伝搬モードの光とTE偏波基本伝搬モードの光のいずれか一方、あるいは両者が混合された入力光が入力され、TM偏波基本伝搬モードの光に対しては偏波回転させてTE偏波１次伝搬モードに変換して出力し、TE偏波基本伝搬モードの光に対しては無変換で出力する
    ことを特徴とする請求項７に記載の光波長フィルタ。
  10. 請求項２〜６のいずれか一項に記載の導波路型光回折格子であって、
    当該導波路型光回折格子を構成する導波路コアはシリコン材で形成され、
    当該導波路型光回折格子を構成する導波路コアを取り囲むクラッド層は酸化シリコン材で形成されている
    ことを特徴とする導波路型光回折格子。
  11. 請求項７〜９のいずれか一項に記載の光波長フィルタであって、
    当該光波長フィルタを構成する導波路コアはシリコン材で形成され、
    当該光波長フィルタを構成する導波路コアを取り囲むクラッド層は酸化シリコン材で形成されている
    ことを特徴とする光波長フィルタ。
  12. 導波路型光回折格子であって、
    当該導波路型光回折格子を入力方向に進行する前進波と入力方向とは逆方向に進行する反射波とは次数の異なる伝搬モードであり、前記前進波と前記反射波の間の位相差を調整する位相調整部が設けられており、
    前記位相調整部は、当該位相調整部において生じる前進波の位相と反射波の位相の和が、入力光の伝搬モード次数に関わらず一定値となるように設定されている
    ことを特徴とする導波路型光回折格子。
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