JP2017142335A - 光合分波素子及びアレイ導波路回折格子型光波長フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】スラブ導波路と導波路構造体の接続部分で発生する放射損失を低減した光合分波素子を提供する。【解決手段】光合分波素子は、入力用導波路１２、スラブ導波路１１、及び、並列に設けられた複数の出力用導波路５をこの順に備え、入力用導波路１２は、不等分２分岐素子５０を備えており、入力された光を互いに異なる強度に２分岐してスラブ導波路１１に送り、複数の出力用導波路５は、２分岐された光がスラブ導波路１１内で互いに干渉した結果生成される、周期的に光強度が増減する光分布のピークに対応する位置に設けられる。【選択図】図１

Description

この発明は、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）通信等において波長の異なる成分光の合分波に用いることのできる、光合分波素子と、この光合分波素子を備えるアレイ導波路回折格子型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として、1つの局側終端装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ）と、複数の加入者側終端装置（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、１つの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。

加入者系光アクセスシステムについては、更に、通信に用いる波長の多重度を上げた波長分割多重方式ＰＯＮ（ＷＤＭ−ＰＯＮ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ−ＰＯＮ）が検討されている。ＷＤＭ−ＰＯＮでは、ＯＬＴとＯＮＵに、複数の波長の光を合分波する光素子が必要となる。

このような光素子の一例として、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄ Ｇｒａｔｉｎｇ）がある。ＡＷＧは、入力導波路、入力側スラブ導波路、異なる光路長を有する複数のチャネル導波路を含むアレイ導波路、出力側スラブ導波路及び出力導波路が、同一の基板上に平板光導波路回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）として形成される。しかし、コアとクラッドの屈折率差が小さい石英系光導波路では、湾曲光導波路の曲率半径を小さくすることが難しく、ＡＷＧを小型化できない。

そこで、シリコン（Ｓｉ）を材料とするコアと、シリコンとの屈折率差が大きな酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を材料とするクラッドとを用いたシリコン細線導波路で、ＡＷＧを構成する例が報告されている（例えば、非特許文献１及び２参照）。シリコン細線導波路では、コアの屈折率がクラッドの屈折率よりも非常に大きい。このため、光の閉じ込めが強く、十分小さい曲率半径の湾曲光導波路を形成できる。また、シリコン電子デバイスの加工技術を利用して製造できるために、極めて微細なサブミクロンの断面構造を実現できる。これらのことから、シリコン細線導波路を用いることでＡＷＧを小型化することができる。

しかし、シリコン細線導波路を用いるＡＷＧでは、ＡＷＧを構成する入力側及び出力側のスラブ導波路とチャネル導波路との接続部分で無視できない大きさの放射損失が生じることが知られている。この放射損失を低減する手法の一つとして、ＡＷＧを構成する導波路をリブ導波路構造にすることが試みられている。しかしながら、リブ導波路構造を採用すると、湾曲導波路部分の曲率半径を大きくしないと、この部分で無視できない放射損失が生じる。そこで、特殊なリブ導波路を利用して放射損失を低減する試みがなされている（非特許文献３参照）。

また、特許文献１には、ＡＷＧを構成する入力側及び出力側のスラブ導波路とチャネル導波路の接続部分で発生する放射損失について、チャネル導波路を構成している複数のそれぞれの導波路で発生する放射損失を等しくするために、導波路モードカプラ（Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｍｏｄｅ ｃｏｕｐｌｅｒ）を利用する構造が開示されている。

Ｗｉｍ Ｂｏｇａｅｒｔｓ， ｅｔ ａｌ．，"Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｆｉｌｔｅｒｓ Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｗｉｔｈ ＣＭＯＳ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ" ，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ｖｏｌ．１６，Ｎｏ．１，ｐｐ．３３〜４４（２０１０）． Ｄａｏｘｉｎ Ｄａｉ ｅｔ ａｌ．，"Ｕｌｔｒａｓｍａｌｌ Ｏｖｅｒｌａｐｐｅｄ Ａｒｒａｙｅｄ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉ Ｎａｎｏｗｉｒｅ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｆｏｒ Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ"，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．６，ｐｐ．１３０１〜１３０５（２００６）． Ｊａｅｇｙｕ Ｐａｒｋ， ｅｔ ａｌ．，"Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ ｓｉｌｉｃｏｎ ａｒｒａｙｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ ｂｙ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈｅｒ ｏｒｄｅｒ ｍｏｄｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｏｆ ａ ｓｔａｒ ｃｏｕｐｌｅｒ" ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ ｖｏｌ．９３６７，ｐｐ．９３６７０５−１〜６（２０１５）．

米国特許第６，４４２，３０８号明細書

しかしながら、上述の非特許文献３に開示されているリブ導波路は、浅いステップエッチング技術が使われており、製造プロセスに高い技術が要請される。

また、特許文献１に開示されたＡＷＧでは、チャネル導波路における放射損失を等しくすることが実現されるが、放射損失そのものを低減するという課題は解決されていない。

そこで、この発明の発明者は、鋭意検討した結果、ＡＷＧ型光波長フィルタの光合分波素子において、スラブ導波路への入力導波路を不等分２分岐又は不等分３分岐することによって、放射損失を低減できることを見出した。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、スラブ導波路と、複数の基本伝搬モード導波路の集合である出力用導波路が接続された光合分波素子であって、スラブ導波路と出力用導波路の接続部分で発生する放射損失が低減された光合分波素子を提供することにある。また、この光合分波素子を、入力側及び出力側のスラブ導波路と複数のチャネル導波路との接合部分に採用したＡＷＧ型光波長フィルタを提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の光合分波素子は、入力用導波路、スラブ導波路、及び、並列に設けられた複数の出力用導波路をこの順に備えて構成される。入力用導波路は、不等分２分岐素子を備えており、入力された光を互いに異なる強度に２分岐してスラブ導波路に送る。複数の出力用導波路は、２分岐された光がスラブ導波路内で互いに干渉した結果生成される、周期的に光強度が増減する光分布のピークに対応する位置に設けられる。

なお、入力用導波路が不等分３分岐素子を備え、入力された光を２種以上の強度に３分岐してスラブ導波路に送る構成にしても良い。

また、この発明のＡＷＧ型光波長フィルタは、入力導波路、入力側スラブ導波路、異なる光路長を有する複数のチャネル導波路を含むアレイ導波路、出力側スラブ導波路及び出力導波路がこの順に接続されて構成される。

入力導波路、入力側スラブ導波路、及び、チャネル導波路で構成される部分が、上述の光合分波素子である。

この発明の光合分波素子によれば、入力導波路とスラブ導波路とを接続する領域の構成が上述の特徴を有することから、スラブ導波路と出力用導波路との接続部分では、周期的に光強度が増減する光分布が生成される。従って、複数の出力用導波路を、光強度が大きい部分に設ければ、スラブ導波路と出力用導波路との接続部分で発生する放射損失を低減できる。

また、この発明のＡＷＧ型光波長フィルタによれば、入力導波路、入力側スラブ導波路及びチャネル導波路で構成される部分が、上述の光合分波素子を用いて形成されている。このため、両接続領域において発生する放射損失が低減されたＡＷＧ型光波長フィルタが実現される。

第１の光合分波素子の説明に供する図であり、第１の光合分波素子を構成する導波路コアの概略的構成図である。 第１の光合分波素子の動作の説明に供する図である。 第２の光合分波素子の説明に供する図であり、第２の光合分波素子を構成する導波路コアの概略的構成図である。 第２の光合分波素子の動作の説明に供する図である。 第１の変形例の説明に供する図である。 第１の変形例の動作についての説明に供する図であり、（Ａ）はＭＭＩ導波路カプラにステップ部が形成されていない場合の導波光の伝搬の様子を示し、（Ｂ）はステップ部が形成されている場合の導波光の伝搬の様子を示している。 他の変形例の説明に供する図である。 ＡＷＧ型光波長フィルタの説明に供する図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（第１の光合分波素子）
図１を参照して、この発明の光合分波素子の第１の実施形態（以下、第１の光合分波素子と称する。）につき説明する。 図１に示すように、第１の光合分波素子は、入力用導波路、スラブ導波路、及び、周期ｄで並列に設けられた複数の出力用導波路をこの順に備えている。

入力用導波路１２は、不等分２分岐素子５０を備えており、入力された光を互いに異なる強度に２分岐する。不等分２分岐素子５０は、ＭＭＩカプラなど従来公知の任意好適な技術を用いて構成することができる。

２分岐された光はスラブ導波路１１に送られる。２分岐された光は、それぞれスラブ導波路１１内で回折により広がり、互いに干渉する。この結果、スラブ導波路１１と出力用導波路５との接続部分では、周期的に光強度が増減する光分布６２が生成される。

従って、複数の出力用導波路５を、光強度のピークの部分に設ければ、スラブ導波路１１と出力用導波路５との接続部分で発生する放射損失を低減できる。

出力用導波路５の分布と一致する干渉パターンを発生させる条件を説明する。ここでは、出力用導波路５には、図中左から右に向かって番号ｑを付す。中央に配置された出力用導波路５の番号ｑを０とする。中央に配置された出力用導波路５と、スラブ導波路１１との接続箇所をアレイ中心点６０ｏとする。また、２分岐された入力用導波路１２と、スラブ導波路１１との接続箇所を入力端１４ａ、１４ｂで示す。

ここで、スラブ導波路１１の入力用導波路１２側の端部であり、入力端１４ａ、１４ｂのそれぞれから等距離の端部１４ｃと、アレイ中心点６０ｏを結ぶ光路の長さを基準光路長とする。また、アレイ中心点６０ｏから入力端１４ａ、１４ｂを見た角度を２Θｉとする。波数をｋ_０とし、スラブ導波路１１の屈折率をｎ_ｓとするとき、第ｑの出力用導波路５のスラブ導波路１１との接続箇所から、入力端１４ａ、１４ｂまでの光路長は、基準光路長に対して、近似的にそれぞれｑｋ_０ｎ_ｓｄｓｉｎΘｉ、−ｑｋ_０ｎ_ｓｄｓｉｎΘｉとなることが知られている。従って、入力端１４ａ、１４ｂまでの光路長差は、２ｑｋ_０ｎ_ｓｄｓｉｎΘｉとなる。

出力用導波路５との接続部分で光強度が最大になるような周期で干渉が起きるためには、一つ違うｑの値で位相が２πだけ異なるようにする必要がある。従って、２π＝２ｑｋ_０ｎ_ｓｄｓｉｎΘｉ、すなわち、λ＝２ｎ_ｓｄｓｉｎΘｉが成立している必要がある。

次に、入力端１４ａ、１４ｂそれぞれに入力された光が、出力用導波路５で発生させる光について説明する。出力特性は、以下の式（１）で表すことができる。

ここで、θはｋ_０ｎ_ｓｓｉｎΘｉである。また、ａ、ｂは入力端１４ａ、１４ｂにおける強度の比である。

式（１）から、出力用導波路５で発生させる光の強度は、以下の式（２）で与えられる。

ａ＝０、すなわち、２分岐されず、一方からのみ入力される場合は、｜Ｉ｜^２＝１と一定となる。

また、ａ＝ｂ＝１／２^１／２、すなわち、等分された場合は、｜Ｉ｜^２＝ｃｏｓ（２θｑ）となり、ｑの値に応じて振れ幅が１と最大になる。

これに対し、０＜ａ＜１／２^１／２、すなわち、不等分２分岐の場合は、｜Ｉ｜^２＝４ａ（１−ａ^２）^１／２／［１＋２ａ（１−ａ^２）^１／２］となり、ａの値に応じて、振れ幅を所望の値に設定することができる。ａの値と振れ幅の関係を図２に示す。図２では、横軸にａの値を取って示し、縦軸に振れ幅を取って示している。

（第２の光合分波素子）
図３を参照して、この発明の光合分波素子の第２の実施形態（以下、第２の光合分波素子と称する。）につき説明する。

第２の光合分波素子は、入力用導波路１２が、不等分３分岐素子５２を備えており、入力された光を３分岐する点が、第１の光合分波素子と異なっている。それ以外の部分は、第１の合分波素子と同様に構成できるので重複する説明を省略することもある。３分岐された光はスラブ導波路１１に送られる。不等分３分岐素子５２は、不等分２分岐素子５０と同様に、ＭＭＩカプラなど任意好適な従来公知の構成にすることができる。

３分岐された光は、それぞれスラブ導波路１１内で回折により広がり、互いに干渉する。この結果、スラブ導波路１１と出力用導波路５との接続部分では、周期的に光強度が増減する光分布６２が生成される。

複数の出力用導波路５を、光強度が大きい部分に設ければ、スラブ導波路１１と出力用導波路５との接続部分で発生する放射損失を低減できる。

出力用導波路５の分布と一致する干渉パターンを発生させる条件を説明する。中央に配置された出力用導波路５と、スラブ導波路１１との接続箇所をアレイ中心点６０ｏとする。また、３分岐された入力用導波路１２と、スラブ導波路１１との接続箇所を入力端１４ａ、１４ｃ、１４ｂで示す。なお、入力端１４ｃと、入力端１４ａ、１４ｂのそれぞれとの距離は、互いに等しい。

第２の光合分波素子においても、出力用導波路５の接続部分で光強度がピークを有するような周期で干渉が起きるためには、λ＝２ｎ_ｓｄｓｉｎΘｉが成立している必要がある。

次に、入力端１４ａ、１４ｃ、１４ｂそれぞれに入力された光が、出力用導波路５で発生させる光について説明する。出力特性は、以下の式（３）で表すことができる。

ここで、ａは入力端１４ｃにおける強度、ｂは入力端１４ａ、１４ｂにおける強度の割合を示している。この例では、入力端１４ａ、１４ｂにおける強度は互いに等しい。この場合、ａ^２＋２ｂ^２＝１を満たす。

式（３）から、出力用導波路５で発生させる光の強度は、以下の式（４）で与えられる。

ａ＝０のとき、｜Ｉ｜^２＝１と一定となる。ａ＝２ｂの場合は、振れ幅が１と最大になる。これ以外の場合は、｜Ｉ｜^２＝８ａ（１−ａ^２）^１／２／｛２−ａ^２＋４ａ［（１−ａ^２）／２］^１／２｝となり、ａの値に応じて、振れ幅を所望の値に設定することができる。ａの値と振れ幅の関係を図４に示す。図４では、横軸にａの値を取って示し、縦軸に振れ幅を取って示している。

上述の通り、第１の光合分波素子及び第２の光合分波素子によれば、周期的に光強度が増減する光分布が生成され、その光強度の大きさを、不等分２分岐素子又は不等分３分岐素子での強度比により定めることができる。その結果、用途に応じた設計の自由度が増す。

（第１の変形例）
上述の第１の光合分波素子及び第２の光合分波素子の実施に当たり、隣接する出力用導波路５の間に漏れる光による損失を減らすために、出力用導波路５とスラブ導波路１１との接続部分を特別な構成にするのが良い。

図５を参照して、出力用導波路５とスラブ導波路１１との接続部分の構成を説明する。図５（Ａ）は、第１の変形例を構成する導波路コアの平面パターンの概略的構成を示す図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＩ−Ｉで示す位置で導波方向に垂直な断面で切断した概略的断面図である。また、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）のＩＩ−ＩＩで示す位置で導波方向に垂直な断面で切断した概略的断面図である。

第１の変形例では、スラブ導波路１１と出力用導波路５の間に導波路構造体４を備えている。導波路構造体４は、スラブ導波路１１との接続位置から、ＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）導波路カプラ１４、幅狭導波路１９、第１テーパ導波路１５、幅広導波路１６及び第２テーパ導波路１７が、導波方向に沿ってこの順に接続されて構成されている。

図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、幅狭導波路１９、第１テーパ導波路１５、幅広導波路１６及び第２テーパ導波路１７を構成する導波路コアはクラッド層２に囲まれて、基板１上に形成されている。そして、その導波方向に垂直に切断した断面形状は長方形である。

また、図５（Ａ）及び（Ｃ）に示すように、ＭＭＩ導波路カプラ１４の導波方向に沿った両側の領域である左側導波路領域Ｌ及び右側導波路領域Ｒには、ＭＭＩ導波路カプラ１４の厚みより薄い厚さＤのステップ部１８が形成されている。ＭＭＩ導波路カプラ１４を構成する導波路コア及びステップ部１８を構成する導波路コアは、クラッド層２に上下方向に挟まれて、基板１上に一体として形成されている。

ステップ部１８は、導波路構造体４の全体にわたっていても良いが、その場合には、導波路への光の閉じ込めが弱くなるため、導波路の曲率半径を大きくとる必要がある。この結果、素子サイズが大きくなってしまう。従って、ステップ部１８は、ＭＭＩ導波路カプラ１４の部分にのみ設けるのが良い。この構成例では、ステップ部１８とＭＭＩ導波路カプラ１４のスラブ導波路１１との接続箇所からの距離は等しく設計している。なお、ステップ部１８は、幅狭導波路１９の部分に設けられていなければよく、ステップ部１８のスラブ導波路１１との接続箇所からの距離が、ＭＭＩ導波路カプラ１４のスラブ導波路１１との接続箇所からの距離よりもやや短くても良い。

図５（Ｂ）及び（Ｃ）に示す基板１はシリコン基板を利用し、クラッド層２は酸化シリコンを材料とするのが好適である。また、導波路構造体４及びＭＭＩ導波路カプラ１４を構成する導波路コアは、シリコンを材料とするのが好適である。

幅狭導波路１９のＭＭＩ導波路カプラ１４との接続位置における幅は、ＭＭＩ導波路カプラ１４を導波する光が集光する幅程度にするのが良く、例えば、８００ｎｍに設定される。また、幅狭導波路１９の第１テーパ導波路１５との接続位置における幅は、シングルモードとなる幅程度にするのが良く、例えば、３００〜５００ｎｍに設定される。

この光合分波素子をＡＷＧ型光波長フィルタに用いる場合、導波路構造体４は、一方の端部でスラブ導波路１１に接続され、他方の端部で出力用導波路としてのチャネル導波路に接続される。このチャネル導波路におけるモード変換が生じるのを防ぐためにチャネル導波路の幅は、シングルモードとなる幅程度にするのが良く、例えば、３００〜５００ｎｍに設定される。

また、この導波路構造体４において、幅誤差により生じる位相誤差を抑えるために、幅広導波路１６が設けられている。幅広導波路１６と幅狭導波路１９との接続領域、及び、幅広導波路１６と出力用導波路５との接続領域には、この部分での放射損失を抑えるために、それぞれ第１テーパ導波路１５及び第２テーパ導波路１７が設けられている。

第１テーパ導波路１５は、幅狭導波路１９から幅広導波路１６へ向かうにつれて幅が広くなるテーパ形状である。また、第２テーパ導波路１７は、幅広導波路１６から出力用導波路５へ向かうにつれて幅が狭くなるテーパ形状である。

なお、導波路構造体４における位相誤差を考慮する必要が無い場合は、第１テーパ導波路１５、幅広導波路１６及び第２テーパ導波路１７を備えない構成にしても良い。

（第１の変形例の動作）
図６を参照して、ＭＭＩ導波路カプラ１４と幅狭導波路１９における導波光の伝搬形態について説明する。図６（Ａ）は、ＭＭＩ導波路カプラ１４にステップ部１８が形成されていない構造における導波光の伝搬の様子を示している。また、図６（Ｂ）は、ＭＭＩ導波路カプラ１４にステップ部１８が形成された第１の変形例の構造における導波光の伝搬の様子を示している。

図６（Ａ）及び（Ｂ）では、スラブ導波路１１、ＭＭＩ導波路カプラ１４、及び幅狭導波路１９を伝搬する導波光伝搬形態を、光電場強度の分布を示す曲線２１〜２４によって示している。これらの曲線２１〜２４は、光電場強度０を底辺（Ｌ−０）にして、光電場強度の大きさに比例してＬ−０から離れるように描いてある。曲線２１は、スラブ導波路１１を伝搬する導波光の強度分布を示している。スラブ導波路１１を伝搬する導波光は球面波であるが局所的にみると平面波とみなせるので、曲線２１はほぼ直線で示されている。このため、曲線２１に対しては、光電場強度の最小値を示す底辺（Ｌ−０）を省略してある。

ステップ部１８が形成されていない場合は、図６（Ａ）に示すように、ＭＭＩ導波路カプラ１４を伝搬する導波光は、曲線２２で示す形態の伝搬光となる。一方ステップ部１８が形成されている場合は、図６（Ｂ）に示すように、ＭＭＩ導波路カプラ１４を伝搬する導波光は、曲線２４で示す形態の伝搬光となる。

ＭＭＩ導波路カプラ１４を伝搬光が伝搬している間に伝搬モードが変換され、幅狭導波路１９に等強度曲線２３に示す形態の伝搬モードで入力される。等強度曲線２３で示される導波光は、幅狭導波路１９を基本伝搬モードで伝搬する。

導波路構造体４は、スラブ導波路１１の出力端に並列されて複数設置される。そのため、隣接する導波路構造体４を構成するＭＭＩ導波路カプラ１４も一定の隙間をあけて隣接して配置されることになる。この隣接するＭＭＩ導波路カプラ１４の隙間Ｇの部分を隣接間ギャップ１４ｇとする。

スラブ導波路１１の伝搬光はＭＭＩ導波路カプラ１４に入力されると、隣接間ギャップ１４ｇから漏れ出し放射損失となる。ＭＭＩ導波路カプラ１４の導波光は、伝搬モードが変換されて幅狭導波路１９に入力されるが、幅狭導波路１９に入力される伝搬光のエネルギーには、ＭＭＩ導波路カプラ１４を伝搬中に隣接間ギャップ１４ｇに漏れ出るエネルギー成分も一部含まれる。

隣接間ギャップ１４ｇでは光電場強度が弱くなっているため、隣接間ギャップ１４ｇにおける曲線２２ｇは、底辺（Ｌ−０）に近い位置にある。これは、スラブ伝搬光２１とモード形状のミスマッチが大きくなり、隣接間ギャップ１４ｇに漏れ出る伝搬光が多く、ここで発生する放射損失が大きいことを意味している。

ここで、隣接するＭＭＩ導波路カプラ１４の隙間である隣接間ギャップ１４ｇにおける固有の光電場強度を、ステップ部１８が形成されていない場合(曲線２２ｇ)と形成されている場合(曲線２４ｇ)とで比較すると、ステップ部１８が形成されている場合の方が強いことがわかる。

ＭＭＩ導波路カプラ１４の導波光が、伝搬モードが変換されて幅狭導波路１９に入力されるとき、隣接間ギャップ１４ｇにおける光電場強度が強いほど、スラブ伝搬光２１とモードマッチングする割合が大きくなり、幅狭導波路１９に入力される伝搬光のエネルギーも大きくなる。すなわち、ステップ部１８が形成されている場合、隣接間ギャップ１４ｇにおける光電場強度が、ステップ部１８が形成されていない場合より強い。この隣接間ギャップ１４ｇにおける光は、図６（Ｂ）に矢印２５で示すように、伝播中にＭＭＩ導波路カプラ１４に吸い込まれる。その結果、ステップ部１８を設けることにより、幅狭導波路１９に入力される伝搬光の光電場強度が強くなる。

以上、スラブ導波路１１から導波路構造体４に向けて導波光が進行し、スラブ導波路１１に入力された導波光が、複数の導波路構造体４に分波される場合（光分波器として利用される場合）を説明した。逆に、複数の導波路構造体４を伝搬して、スラブ導波路１１に合波される場合（光合波器として利用される場合）は、分波される場合とは逆の過程が起き、幅狭導波路１９を伝搬する基本伝搬モードの伝搬光がＭＭＩ導波路カプラ１４とスラブ導波路１１の接続位置で、等強度曲線２４で表される伝搬モードに変換されて、スラブ導波路１１を伝搬する等強度曲線２１で表される伝搬モードとカップリングする。したがって、光合波器として利用される場合にも、ステップ部１８を備える構成のほうが好ましいことがわかる。

（他の変形例）
図７を参照して、他の変形例につき説明する。図７（Ａ）は、第２の変形例を構成する導波路コアの平面パターンの概略的構成を示す図である。

第２の変形例は、ＭＭＩ導波路カプラ１４と、幅狭導波路１９の間に、ＭＭＩ幅変化部１４ｐとして、第１ＭＭＩテーパ部１４ｐ１及び第２ＭＭＩテーパ部１４ｐ２が導波方向に沿ってこの順に接続されて構成されている点が、第１の変形例と異なっている。その他の部分は、第１の変形例と同様に構成できるので、重複する説明を省略することもある。なお、ＭＭＩ幅変化部１４ｐを含めてＭＭＩ導波路カプラと称することもある。

発明者らの検討によると、第２の変形例は、ＭＭＩ幅変化部１４ｐを備えることで、ＭＭＩ導波路カプラ１４の幅を大きくしたときの過剰損失を、第１の変形例よりも小さくすることができる。

第２ＭＭＩテーパ部１４ｐ２のテーパ角は、第１ＭＭＩテーパ部１４ｐ１のテーパ角よりも大きい。また、第２ＭＭＩテーパ部１４ｐ２と幅狭導波路１９の接続位置における、両者の幅は等しい。一方、図７（Ａ）では、ＭＭＩ導波路カプラ１４と第１ＭＭＩテーパ部１４ｐ１の接続位置における両者の幅は、等しく示されているが、必ずしも同一である必要はない。

なお、第１ＭＭＩテーパ部１４ｐ１及び第２ＭＭＩテーパ部１４ｐ２のテーパ角や長さについては、シミュレーション等により、より良い特性を得られる設計にすればよい。また、ステップ部１８を第１ＭＭＩテーパ部１４ｐ１の途中まで設けても良い。

ここでは、ＭＭＩ導波路カプラ１４と幅狭導波路１９の間に、ＭＭＩ幅変化部１４ｐとして、第１ＭＭＩテーパ部１４ｐ１及び第２ＭＭＩテーパ部１４ｐ２を備える構成例を説明したが、これに限定されない。ＭＭＩ幅変化部１４ｐをパラボラ型の構造にするなど、曲線的に幅が変化する構造にしても良い。

図７（Ｂ）は、第３の変形例を構成する導波路コアの平面パターンの概略的構成を示す図である。

第３の変形例では、幅狭導波路１９を備えず、ＭＭＩ導波路カプラ１４と第１テーパ導波路１５が直接接続されている。この場合、ステップ部１８は幅広導波路１６の途中まで設けられている。このようにステップ部１８を幅広導波路１６まで設ける構成としても、ＭＭＩ導波路カプラ１４間のギャップＧでの損失を抑制することができる。なお、ステップ部１８を幅広導波路１６の全体にわたって設けても良い。

図７（Ｃ）は、第４の変形例を構成する導波路コアの平面パターンの概略的構成を示す図である。

第３の変形例では、ステップ部１８が徐々になくなる構成としているが、第４の変形例では、ステップ部１８がステップ状になくなる構成としている。他の部分は、第３の変形例と同様なので、説明を省略する。

なお、第１〜４の変形例は、第１及び第２の光合分波素子のいずれにも適用できる。

（光合分波素子の製造方法）
図１、３、５及び７に示す光合分波素子を構成する導波路コアパターン構造体は、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を入手して、以下の工程によって形成できる。

先ず、ＳＯＩ基板の酸化シリコン層上に形成されているシリコン層に対して、導波路コアとなる部分（導波路コアパターン構造体）を残してドライエッチング等を行い、他の部分のシリコン層を取り除く。なお、図５、７を参照して説明したようなステップ部１８を備える構成については、２回のエッチング工程で形成することができる。

次に、ドライエッチング等の処理で残された導波路コアパターン構造体を取り囲む酸化シリコン層を、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等によって形成する。このようにして、光合分波素子を構成する導波路コアと、その周囲のクラッド層とが形成される。

このように、この発明の光合分波素子は、ＳＯＩ基板を用いて周知のエッチング処理、ＣＶＤ法等によって形成することが可能であるので、量産性に優れ低コストで簡便に形成することが可能である。

（アレイ導波路回折格子型光波長フィルタ）
図８を参照して、この発明のＡＷＧ型光波長フィルタの実施形態につき説明する。この発明のＡＷＧ型光波長フィルタは、入力導波路１２、入力側スラブ導波路１１ａ、異なる光路長を有する複数のチャネル導波路で構成されるアレイ導波路３０、出力側スラブ導波路１１ｂ及び出力導波路１３を備え、この順に接続されて構成されている。

出力導波路１３は複数本の導波路をアレイ状にして構成されている。すなわち、図８に示すＡＷＧ型光波長フィルタは、入力導波路１２に入力された入力光が波長ごとに分波されて出力導波路１３から出力される構成の光波長フィルタである。

アレイ導波路３０を構成する複数のチャネル導波路のそれぞれは、入力側曲線導波路５ａ、第１直線導波路６、第１曲線導波路７、第２直線導波路８、第２曲線導波路９、第３直線導波路１０、出力側曲線導波路５ｂがこの順に接続されている。

入力導波路１２、入力側スラブ導波路１１ａ及び入力側曲線導波路５ａは、上述の第１又は第２の光合分波素子を用いて形成されている。第１又は第２の光合分波素子の入力用導波路１２、スラブ導波路１１、及び、出力用導波路５が、それぞれ、ＡＷＧ型光波長フィルタの入力導波路１２、入力側スラブ導波路１１ａ、及び、入力側曲線導波路５ａに対応する。

入力光は、入力導波路１２から入力側スラブ導波路１１ａに入力され、出力光は出力側スラブ導波路１１ｂから出力導波路１３を介して外部に出力される。入力側スラブ導波路１１ａと出力側スラブ導波路１１ｂは、入力側スラブ導波路１１ａの対称中心軸Ｓ１と出力側スラブ導波路１１ｂの対称中心軸Ｓ２とが互いに平行となるように配置されている。

アレイ導波路３０を構成する複数のチャネル導波路のそれぞれにおいて、対となる入力側曲線導波路５ａと出力側曲線導波路５ｂの互いの曲げ部分の曲率半径は等しく設定されている。これは曲率半径が異なると等価屈折率も異なり、位相誤差が発生する原因となるからである。

アレイ導波路３０を構成する複数のチャネル導波路ごとに、第１曲線導波路７及び第２曲線導波路９は同一構造にして、この曲線導波路部分で位相誤差が発生しないように考慮されている。また、第１直線導波路６、第２直線導波路８、第３直線導波路１０は、この直線導波路部分で発生する位相誤差がＡＷＧ型光波長フィルタの特性に与える効果を小さくするため、導波路幅を０．７〜１μｍの範囲に設定する。

一方、入力側曲線導波路５ａ、出力側曲線導波路５ｂ、第１曲線導波路７及び第２曲線導波路９の導波路幅は、この導波路部分で伝搬モードの変換が生じないように、基本伝搬モードが保証される３００〜５００ｎｍに設定する。なお、直線導波路部分と曲線導波路部分を接合する結合領域は、両者の導波路幅の差を滑らかに解消するように幅テーパ導波路を用いる。

また、第２直線導波路８はアレイ導波路３０の中心に配置され、第１直線導波路６と第３直線導波路１０は、第２直線導波路８に対して対称の関係となる位置に配置される。第１曲線導波路７と第２曲線導波路９も、第２直線導波路８に対して対称の関係となる位置に配置される。

図８に示すＡＷＧ型光波長フィルタによれば、入力導波路１２、入力側スラブ導波路１１ａ及び入力側曲線導波路５ａは、図１又は図２を参照して説明した第１又は第２の光合分波素子を用いて形成されている。このため、両接続領域において発生する放射損失が低減されるので、全体として放射損失が低減されたＡＷＧ型光波長フィルタが実現される。

さらに、入力側スラブ導波路１１ａと第１曲線導波路５ａの間に、図５〜７を参照して説明した第１〜４の変形例が備える導波路構造体を設けると、放射損失のさらなる低減が期待できる。なお、第１〜４の変形例が備える導波路構造体は、出力側スラブ導波路１１ｂと出力側曲線導波路５ｂとの間にも、設けることができる。

１ 基板
２ クラッド層
４ 導波路構造体
５ 出力用導波路
５ａ 入力側曲線導波路
５ｂ 出力側曲線導波路
６ 第１直線導波路
７ 第１曲線導波路
８ 第２直線導波路
９ 第２曲線導波路
１０ 第３直線導波路
１１ スラブ導波路
１１ａ 入力側スラブ導波路
１１ｂ 出力側スラブ導波路
１２ 入力導波路（入力用導波路）
１３ 出力導波路
１４ ＭＭＩ導波路カプラ
１５ 第１テーパ導波路
１６ 幅広導波路
１７ 第２テーパ導波路
１８ ステップ部
１９ 幅狭導波路
３０ アレイ導波路
５０ 不等分２分岐素子
５２ 不等分３分岐素子
Ｌ 左側導波路領域
Ｒ 右側導波路領域

Claims (6)

1. 入力用導波路、スラブ導波路、及び、並列に設けられた複数の出力用導波路をこの順に備え、
   前記入力用導波路は、不等分２分岐素子を備えており、入力された光を互いに異なる強度に２分岐して前記スラブ導波路に送り、
   前記複数の出力用導波路は、前記２分岐された光が前記スラブ導波路内で互いに干渉した結果生成される、周期的に光強度が増減する光分布のピークに対応する位置に設けられる
   ことを特徴とする光合分波素子
2. 入力用導波路、スラブ導波路、及び、並列に設けられた複数の出力用導波路をこの順に備え、
   前記入力用導波路は、不等分３分岐素子を備えており、入力された光を２種以上の強度に３分岐して前記スラブ導波路に送り、
   前記複数の出力用導波路は、前記３分岐された光が前記スラブ導波路内で互いに干渉した結果生成される、周期的に光強度が増減する光分布のピークに対応する位置に設けられる
   ことを特徴とする光合分波素子
3. 前記スラブ導波路と前記出力用導波路の間に導波路構造体を備え、
   前記導波路構造体は、前記スラブ導波路との接続位置から、多モード干渉（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）導波路カプラ及び幅狭導波路が導波方向に沿ってこの順に接続されて形成され、
   前記ＭＭＩ導波路カプラの、導波方向に沿った両側にステップ部が形成されており、
   前記ステップ部の厚みが、前記ＭＭＩ導波路カプラの厚みより薄い
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光合分波素子。
4. 当該光合分波素子を構成する導波路コアがシリコンを材料として形成され、
   当該光合分波素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を材料として形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光合分波素子。
5. 入力導波路、入力側スラブ導波路、異なる光路長を有する複数のチャネル導波路を含むアレイ導波路、出力側スラブ導波路及び出力導波路がこの順に接続されて構成され、
   前記入力導波路、前記入力側スラブ導波路、及び、前記チャネル導波路で構成される部分が、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光合分波素子である
   ことを特徴とするアレイ導波路回折格子型光波長フィルタ。
6. 前記複数のチャネル導波路の各々は、
   入力側曲線導波路、第１直線導波路、第１曲線導波路、第２直線導波路、第２曲線導波路、第３直線導波路及び出力側曲線導波路を備え、この順に接続されて構成される
   ことを特徴とする請求項５に記載のアレイ導波路回折格子型光波長フィルタ。

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