JP2022129458A - グレーティングフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】１つのグレーティングを用いて複数の波長の光を取り出す。【解決手段】光導波路が、メイン導波路１００、及び、第１～第Ｎ導波路２００－Ｎを備える。メイン導波路１００が、順に直列に接続された、第１～第Ｎ結合導波路１２０－Ｎ、及び、周期Λで周期的に屈折率が変調されたグレーティング１３０を備え、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の少なくとも一方の偏波に対して複数の高次モードが伝搬可能である。第ｋ導波路２００－ｋが、第ｋ結合導波路１２０－ｋと光の相互結合が可能な程度に間隔を開けて並列に配置された第ｋ結合サブ導波路２２０－ｋを備える。第ｋ結合導波路１２０－ｋを伝搬する、第ｋ波長λｋの、第ｋ次モードの光と、第ｋ結合サブ導波路２２０－ｋを伝搬する基本モードの光とが相互結合する。メイン導波路１００を伝播する、基本モードの光の等価屈折率ｎ０及び第ｋ次モードの光の等価屈折率ｎｋが、Λ（ｎ０＋ｎｋ）＝λｋを満たす。【選択図】図１

Description

この発明は、光導波路素子として構成される、光導波路型のグレーティングフィルタに関する。

情報伝達量の増大に伴い、高速信号処理を要する情報処理機器においてボトルネックとなっている、電気配線を用いることによる帯域制限を打破すべく、光配線技術の重要性がますます高まっている。光配線技術は、光ファイバや光導波路を伝送媒体とし、光送信機や光受信機を集積実装した光モジュールを用いて、情報処理装置内のラック間、ボード間又はチップ間の配線を光化する技術である。

波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術は、光通信ネットワークにおいて、一本の伝送媒体に波長ごとに異なる信号を重畳して伝送する技術である。ＷＤＭ技術を用いた光通信では、使用する波長の数だけスペクトル利用効率が向上する。このため、ＷＤＭ技術は、光伝送媒体や光コネクタ数の増大による配線ボリューム及びコストの制限を受けず伝送容量を増大できる技術として期待される。

光モジュールのプラットフォームとして、Ｓｉ（シリコン）フォトニクスが注目されている。Ｓｉフォトニクスでは、既存の半導体製造装置が利用される。これにより、フォトリソグラフィやエッチングなどの高精度な導波路加工や、変調器や受光器などの光デバイスの小型集積の技術、２００ｍｍあるいは３００ｍｍウェハプロセスによる生産性の高さを活かすことができる。

さらに、Ｓｉの光導波路コアの周囲をＳｉＯ_２のクラッドで覆うことにより構成されるＳｉ導波路では、光導波路コアとクラッドとの比屈折率差が４０％に達し、非常に大きく確保される。この結果、光導波路コア内部に光を強く閉じ込めることができる。特にＳｉ細線導波路では、曲げ導波路の曲率半径、及び、並走する導波路間の最小配線ピッチを数μｍオーダーまで小さくできる。このため、ＷＤＭフィルタなどＷＤＭ技術に必須の光デバイスの小型化が可能になる。

これらの特徴から、Ｓｉフォトニクスは、光モジュールを小型・低コストで実現するためのプラットフォームとして有望視されており、Ｓｉフォトニクスに関する様々な研究がなされている（例えば、特許文献１、若しくは、非特許文献１又は２参照）。

特開２０１１－７７１３３号公報

ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｅｌｅｃｔ． Ｔｏｐｉｃｓ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．， Ｖｏｌ．１１、ｐｐ．２３２－２４０， ２００５ ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｅｌｅｃｔ． Ｔｏｐｉｃｓ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．， Ｖｏｌ．１２、Ｎｏ．６， ｐｐ．１３７１－１３７９， Ｎｏｖｅｍｂｅｒ／Ｄｅｃｅｍｂｅｒ， ２００６

ＷＤＭフィルタとしてグレーティングを用いたものがある。グレーティングは、光導波路に周期的な屈折率変調領域が形成されて構成されている。グレーティングでは、Ｂｒａｇｇ条件を満たす波長（Ｂｒａｇｇ波長）において、前進波と後進波との相互結合が生じ、Ｂｒａｇｇ波長の光をアドドロップ的に取り出される。

一般に、グレーティングにおけるＢｒａｇｇ波長の光は、隣り合うピーク波長との波長間隔に対応するＦＳＲ（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ）が大きいので、１つのグレーティングで取り出せる波長は１つである。このため、複数の波長の光を取り出すためには、取り出す波長の数に応じた数のグレーティングが必要になる。さらに、グレーティングで、Ｂｒａｇｇ波長の光の強度を十分に稼ぐためには、数百μｍオーダーの素子長が必要である。これらの理由から、複数のグレーティングを光回路に組み込むのは小型化の面で課題がある。

また、上記の通り、１つのグレーティングで取り出せる波長は１つであるため、波長可変にしようとしても、Ｓｉ導波路の温度依存性の制限により、可変波長域は数ｎｍにとどまる、という課題もある。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、１つのグレーティングを用いて複数の波長の光を取り出せるグレーティングフィルタを提供することにある。また、この発明の他の目的は、動作波長域をダイナミックに変化させることができるグレーティング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、この発明のグレーティングフィルタの好適実施形態によれば、支持基板と、支持基板上に形成されるクラッドと、クラッド中に埋設され、支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備え、光導波路コアと、光導波路コアの周囲のクラッドから光導波路が構成される光導波路素子であって、グレーティングフィルタ部を備える。

グレーティングフィルタ部において、光導波路コアが、メインコア、及び、第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）コアを備える。メインコアが、順に直列に接続された、第１～第Ｎ結合コア、及び、周期的に屈折率が変調されたグレーティングを備える。第ｋ（ｋは１以上Ｎ以下の整数）コアが、第ｋ結合コアと光の相互結合が可能な程度に間隔を開けて並列に配置された第ｋサブ結合コアを備える。第ｋ結合コアを伝搬する第ｋ次モードの光と、第ｋサブ結合コアを伝搬する基本モードの光とが相互結合する。グレーティングは、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏波及びＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏波の少なくとも一方の偏波に対して複数の高次モードが伝搬可能に構成される。グレーティングの屈折率変調周期Λ、第ｋ波長λｋ、基本モードの光の等価屈折率ｎ_０及び第ｋ次モードの光の等価屈折率ｎ_ｋが、Λ（ｎ_０＋ｎ_ｋ）＝λ_ｋを満たす。

また、この発明のグレーティングフィルタの他の好適実施形態によれば、支持基板と、支持基板上に形成されるクラッドと、クラッド中に埋設され、支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備え、光導波路コアと、光導波路コアの周囲のクラッドから光導波路が構成される光導波路素子であって、第１グレーティングフィルタ部及び第２グレーティングフィルタ部を備える。第１及び第２グレーティングフィルタ部は、それぞれ、上記のグレーティングフィルタ部と同様に構成される。ここで、第１グレーティングフィルタ部の第ｋコアと、第２グレーティングフィルタ部の第ｋコアとが接続される。また、第１グレーティングフィルタ部のグレーティングおけるＢｒａｇｇ波長の、隣り合うピーク波長との波長間隔と、２グレーティングフィルタ部におけるＢｒａｇｇ波長の、隣り
合うピーク波長との波長間隔とが、互いに異なっており、第１グレーティングフィルタ部及び第２グレーティングフィルタ部の少なくとも一方のグレーティングの等価屈折率が可変である。

上記グレーティングフィルタにおいて、好適には、グレーティングが、光の伝搬方向に沿った軸である伝送軸に対して、非対称である。また、グレーティングの周期Λが、光の伝搬方向に沿った軸である伝送軸に沿って、一定量ずつ変化しているチャープ構造であってもよい。

この発明のグレーティングフィルタによれば、１つのグレーティングフィルタ部を備える構成により複数の波長の光を取り出すことができる。また、２つのグレーティングフィルタ部を備え、少なくとも一方のグレーティングフィルタ部のグレーティングにおける等価屈折率を可変にすることで、動作波長域をダイナミックに変化させることができる。

第１グレーティングフィルタを示す模式図である。 グレーティングを説明するための模式図である。 結合領域を説明するための模式図である。 第２グレーティングフィルタを示す模式図である。 導波路幅に対する各伝送モードの等価屈折率を示す図である。 グレーティングフィルタの透過スペクトルを示す図である。

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実施形態）
図１～３を参照して、この発明のグレーティングフィルタの第１実施形態（第１グレーティングフィルタとも称する。）について説明する。図１は、第１グレーティングフィルタの一構成例を示す模式図である。図１（Ａ）は、後述する支持基板及びクラッドを省略し、光導波路コアのみを示す概略的平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すグレーティング素子の概略的断面図である。図２は、後述するグレーティングを説明するための模式図である。図２（Ａ）～（Ｃ）は、それぞれ、非対称構造、対称構造及び反対称構造のグレーティングを示している。図３は、後述する結合領域を説明するための模式図である。図３（Ａ）は、結合領域を示す概略平面図である。図３（Ｂ）は、結合領域における伝搬定数を模式的に示す図である。図３（Ｂ）では、横軸に、伝送軸Ｚに沿った位置を取って示し、縦軸に、伝搬定数βを取って示している。

第１グレーティングフィルタは、支持基板１０、クラッド２０、及び、光導波路コア３０を備え、光導波路コア３０と、光導波路コア３０の周囲のクラッド２０から光導波路が構成され、グレーティングフィルタ部５０を備える光導波路素子として構成される。

支持基板１０は、例えば単結晶Ｓｉを材料とした平板状体で構成されている。

クラッド２０は、支持基板１０上に形成されている。クラッド２０は、支持基板１０の
上面を被覆し、かつ、光導波路コア３０を包含して形成されている。クラッド２０は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を材料として形成されている。

光導波路コア３０は、クラッド２０よりも高い屈折率を有する例えばＳｉを材料として形成されている。その結果、光導波路コア３０と周囲のクラッド２０は、光の伝送路（光導波路）として機能し、光導波路コア３０に入力された光が光導波路コア３０の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。このように、光導波路コア３０の平面形状と、光導波路の平面形状は同様になる。したがって、ここでは、光導波路コア３０と光導波路とを区別せずに説明する場合がある。

グレーティングフィルタ部５０において、光導波路コア３０は、メインコア１００、及び、第１～第Ｎコア２００－１～２００～Ｎを備える。

メインコア１００は、順に直列に接続された、入出力ポート１１０、第１～第Ｎ結合コア１２０－１～Ｎ、及び、周期的に屈折率が変調されたグレーティング１３０を備えて構成される。第１～第Ｎ結合コア１２０－１～Ｎは、それぞれ、第１～第Ｎ結合領域１５０－１～Ｎに配置される。

先ず、グレーティング１３０について説明する。

グレーティング１３０は、図２（Ａ）に示すように、光の伝搬方向である伝送軸Ｉに対して、非対称に構成されるのが良い。このため、グレーティング１３０は、例えば、光導波路コアの片側の側壁１３２ａに周期的に凹凸を形成することで、周期的に屈折率が変調された屈折率変調構造が与えられて構成される。

このグレーティング１３０は、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の少なくとも一方の偏波に対して複数の高次モードが伝搬可能に構成される。グレーティング１３０では、グレーティング１３０を伝搬するＴＥ偏波及びＴＭ偏波の一方の偏波について、以下の式（１）を満たす第ｋ波長λ_ｋにおいて基本モードの前進波からｋ次モードの後進波へと変換される。

ここで、上記式（１）において、Λ、ｎ_０及びｎ_ｋは、それぞれ、グレーティングにおける屈折率変調周期、基本モードの等価屈折率、及び、ｋ次モードの等価屈折率を表している。

上記式（１）におけるｎ_０及びｎ_ｋは、波長の関数であるが、Λはグレーティングの設計に応じた周期に固定されてグレーティングが形成されている。同一の波長においてモード次数が高くなるほど、等価屈折率が低くなる。このため、上記式（１）から、高次モードほど、Ｂｒａｇｇ波長は短波長になる。したがって、グレーティング１３０で基本モードの前進波から後進波の波長は、Ｎ次モードの第Ｎ波長λ_Ｎが最も短波長となり、１次モードに向けてモード次数が低くなるにつれて第ｋ波長λ_ｋが長くなり、１次モードの第１波長λ_１が最も長波長になる。すなわち、λ_Ｎ＜λ_Ｎ－１＜…＜λ_ｋ＜…＜λ_２＜λ_１となる。

グレーティング１３０を伝搬する前進波と後進波とのモード結合係数κ_ｆｂは、前進波
の固有モードフィールドＥ_ｆ、後進波の固有モードフィールドＥ_ｂに対して、以下の式（２）で与えられる。

ここで、ωは光の角周波数、ε_０は真空中の誘電率、及び、δεは屈折率変調構造により生じる基準導波路構造からの誘電率の摂動項である。

固有モードフィールドは、伝搬方向に沿った伝送軸に直交し、かつ、支持基板の上面に平行な方向である幅方向について、電界（磁界）分布が対称な偶モードと、電界（磁界）分布が反対称な奇モードに大別できる。

図２（Ｂ）に示すような、屈折率構造が幅方向について伝送軸Ｉに対して対称な構造の場合、偶モード同士又は奇モード同士においては、上記式（２）で与えられるモード結合係数κ_ｆｂは０ではない有意な値となり、結合が可能である。しかし、偶モードと奇モードとの結合に関しては、電界分布のオーバーラップは対称×反対称となり打ち消しあう。このため、モード結合係数κ_ｆｂは０となり相互結合を生じない。

一方、図２（Ｃ）に示すような、屈折率構造が幅方向について伝送軸Ｉに対して反対称な構造の場合、偶モードと奇モードの結合に関しては、電界分布のオーバーラップは対称×反対称となり、そこに、屈折率の変動項の反対称性が加わるため、上記式（２）で与えられるモード結合係数κ_ｆｂは０ではない有意な値となり、結合が可能である。しかし、偶モード同士又は奇モード同士においては、幅方向の電界分布のオーバーラップは、対称×対称又は反対称×反対称となり、そこに、屈折率の変動項の反対称性が加わり打ち消しあう。このため、モード結合係数κ_ｆｂは０となり相互結合を生じない。

したがって、基本モードを所定の次数までの全ての偶モード及び奇モードに結合可能にするため、グレーティング１３０として、片側の側壁１３２ａに周期的に凹凸を形成することで、図２（Ａ）に示すような、非対称構造の屈折率変調構造にするのがよい。

グレーティング１３０における上記式（１）のＢｒａｇｇ条件式について説明する。グレーティングの設計パラメータには、光導波路コアの平均幅Ｗ、光導波路コアの厚み、凸凹量Ｄ及び周期Λがある。ここで、光導波路コア３０の厚みは使用するＳＯＩウェハの仕様により一義に決まる。したがって、光導波路コアの幅Ｗ及び幅の凸凹量Ｄが自由度として挙げられる。波長λ_{Ｂｒａｇｇ}において基本モードの前進波が、ｋ次モードの後進波に変換される場合、上記式（１）は、以下の式（３）に書き換えることができる。

この場合、上記式（３）を満たす屈折率変調周期Λ_ｋは、以下の式（４）で与えられる。

同様に、同一の波長λ_{Ｂｒａｇｇ}において、基本モードの前進波がｋ－１次モードの後進波に変換されるために上記式（３）を満たす屈折率変調周期Λ_ｋ－１は、以下の式（５）で与えられる。

基本モードの前進波から、同一の波長λ_{Ｂｒａｇｇ}のｋ次モードとｋ－１次モードの後進波に変換させるために必要な屈折率変調周期の差ΔΛは、以下の式（６）で与えられる。

モード次数が高いほど、等価屈折率は小さくなる。すなわち、ｎ_ｋ－１＞ｎ_ｋとなる。このため、上記式（３）から、Λ_ｋ－１＜Λ_ｋとなる。ここで、屈折率変調周期が上記式（４）で与えられるΛ_ｋの場合に、基本モードの前進波と、ｋ－１次モードの後進波の結合について考える。これは、上記式（５）のΛ_ｋ－１がΛｋ（＝Λ_ｋ－１＋ΔΛ）に置き換えられ、ΔΛの分だけＢｒａｇｇ波長がずれることを意味する。

上記式（５）において、ｎ_０＋ｎ_ｋ－１＝ｎ_０ｋ－１とする。また、基本モードの前進波とｋ次モードの後進波が結合するＢｒａｇｇ波長を第１Ｂｒａｇｇ波長λ_ｋと称し、基本モードの前進波とｋ－１次モードの後進波が結合するＢｒａｇｇ波長を第２Ｂｒａｇｇ波長λ_ｋ－１と称する。屈折率変調周期の差をΔΛを考慮すると、第１Ｂｒａｇｇ波長と第２Ｂｒａｇｇ波長の差Δλは、以下の式（７）で与えられ、ＦＳＲの目安となる。

続いて、結合領域１５０について説明する。

グレーティング１３０において後進波に変換されたｋ次モードとｋ－１次モードとは、互いに異なる特性を有している。このため、モードフィルタにより異なるポートに振り分けることができる。

第１～第Ｎコア２００－１～Ｎは、それぞれ、第１～第Ｎサブ結合コア２２０－１～Ｎを備えて構成される。第ｋコア２００－ｋが備える第ｋサブ結合コア２２０－ｋは、第ｋ結合領域１５０－ｋにおいて、メインコア１００が備える第ｋ結合コア１２０－ｋと、光の相互結合が可能な程度に間隔を開けて並列に配置されている。第ｋサブ結合コア２２０－ｋと、第ｋ結合コア１２０－ｋとは非対称の方向性結合器を形成している。第ｋ結合コア１２０－ｋと第ｋサブ結合コア２２０－ｋとは、光の伝送軸に沿って導波路の幅寸法が拡大又は縮小するテーパ構造を有している。第ｋ結合コア１２０－ｋは、グレーティング１３０に向かうにつれて幅が拡大し、第ｋサブ結合コア２２０－ｋは、グレーティング１３０に向かうにつれて幅が縮小するように、第ｋ結合コア１２０－ｋと第ｋサブ結合コア２２０－ｋの拡縮の方向が互い違いになっているのが好ましい。また、第ｋサブ結合コア２２０－ｋは、シングルモード導波路であるのが好ましい。

ここで、第ｋ結合領域１５０－ｋにおいては、第ｋ結合コア１２０－ｋを伝搬するｋ次モードと、第ｋサブ結合コア２２０－ｋを伝搬する基本モードとが相互結合するように設定される。この相互結合する条件として、第ｋ結合コア１２０－ｋを伝搬するｋ次モードの伝搬定数β_ｋと、第ｋサブ結合コア２２０－ｋを伝搬する基本モード光の伝搬定数β_ｓ０が一致する必要がある。

図３（Ｂ）に示されるように、第ｋ結合領域１５０の伝送軸に沿った開始点の伝送軸座標をＺ_ａ、終了点の伝送軸座標をＺ_ｂとして、第ｋ結合コア１２０－ｋを伝送するｋ＋１次モードの伝搬定数β_ｋ＋１、ｋ次モードの伝搬定数β_ｋ、ｋ－１次モードの伝搬定数β_ｋ－１、及び、第ｋサブ結合コアを伝搬する基本モードの伝搬定数β_ｓ０が、それぞれ、開始点Ｚ_ａにおいてβ_ｋ＜β_ｓ０＜β_ｋ－１を満たし、かつ、終了点Ｚ_ｂにおいてβ_ｋ＋１＜β_ｓ０＜β_ｋを満たすように導波路パラメータを定める。

上記のように導波路パラメータを定めると、伝送軸座標Ｚ_ａ～Ｚ_ｂにおいて、第ｋ結合コア１２０－ｋを伝送するｋ次モード光の伝搬定数β_ｋと、第ｋサブ結合コア２２０－ｋを伝送する基本モードの伝搬定数β_ｓ０との一致点を見出すことができる。すなわち、第ｋ結合領域１５０－ｋにおいて、両モード間の相互結合を生じることができる。さらに、第ｋ結合コア１２０－ｋを伝送するｋ次モード光以外の次数のモード光は、第ｋサブ結合コア２２０－ｋの伝送モードとは相互結合を生じないため、次段の結合領域へと送り出される。

このように、第ｋ結合領域１５０－ｋは、第ｋ＋１結合領域１５０－（ｋ＋１）から送られてきた、第１～ｋ次モード光から第ｋ次モード光を取り出し、第１～（ｋ－１）次モード光を第ｋ－１結合領域１５０－（ｋ－１）に送る。

以上説明した構成により、第１グレーティングフィルタは、以下のように動作する。メインコア１００の、入出力ポート１１０から入力された、基本モードの前進波は、第１～第Ｎ結合コア１２０－１～Ｎを順に伝搬して、グレーティング１３０に入力される。グレーティング１３０において、第１波長λ_１の１次モード光、第２波長λ_２の２次モード光、…、第ｋ波長λ_ｋのｋ次モード光、…、第Ｎ波長λ_ＮのＮ次モード光の後進波に変換される。グレーティング１３０で変換された後進波は、グレーティング１３０から第Ｎ～第１結合コア１２０－Ｎ～１を順に伝搬する。第Ｎ結合領域１５０－Ｎでは、第Ｎ結合コア１２０－Ｎを伝搬する第Ｎ波長λ_ＮのＮ次モード光が、第Ｎサブ結合コア２２０－Ｎを伝搬する基本モード光に結合され、第Ｎコア２００－Ｎの入出力ポート２１０－Ｎから取り出される。第１～第Ｎ－１波長λ_１～λ_Ｎ－１の１次～Ｎ－１次モード光は、第Ｎ－１結合コア１２０－（Ｎ－１）に送られる。第Ｎ－１結合領域１５０－（Ｎ－１）では、第Ｎ－１結合コアを伝搬する第Ｎ－１波長λ_Ｎ－１のＮ－１次モード光が、第Ｎ－１サブ結合コア２２０－（Ｎ－１）を伝搬する基本モード光に結合され、第Ｎ－１コア２００－（Ｎ
－１）の入出力ポート２１０－（Ｎ－１）から取り出される。第１～第Ｎ－２波長λ_１～λ_Ｎ－２の１次～Ｎ－２次モード光は、第Ｎ－２結合コア１２０－（Ｎ－２）に送られる。同様に、第ｋ結合領域１５０－ｋでは、第ｋ結合コア１２０－ｋを伝搬する第ｋ波長λ_ｋのｋ次モード光が、第ｋサブ結合コア２２０－ｋを伝搬する基本モード光に結合され、第ｋコア２００－ｋの入出力ポート２１０－ｋから取り出される。第１～第ｋ－１波長λ_１～λ_ｋ－１の１次～ｋ－１次モード光は、第ｋ－１結合コア１２０－（ｋ－１）に送られる。このように、後進波がグレーティングから第１結合コア１２０－１まで順に伝播するにつれて、固有の波長及び固有の次数の光が取り出される。この結果、第１～第Ｎコア２００－１～Ｎの入出力ポート２１０－１～Ｎから、それぞれ、第１～第Ｎ波長λ_１～λ_Ｎの光を取り出すことができる。

このように、このグレーティングフィルタによれば、１つのグレーティングにより異なる波長の光を異なる導波路を経て異なるポートから取り出すことができる。

ここでは、グレーティングの屈折率変調周期Λを一定とした例を説明したが、グレーティングの屈折率変調周期Λを、光の伝搬方向の伝送軸に沿って、一定量ずつ変化しているチャープ構造としてもよい。

（第２実施形態）
図４を参照して、この発明のグレーティングフィルタの第２実施形態（以下、第２グレーティングフィルタとも称する。）について説明する。図４は、第２フィルタの一構成例を説明するための模式図である。図４（Ａ）は、後述する支持基板及びクラッドを省略し、光導波路コアのみを示す概略的平面図である。図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）は、第２フィルタの動作を説明するための模式図である。

第２グレーティングフィルタは、第１及び第２グレーティングフィルタ部５０－１及び２を備えて構成される。第２グレーティングフィルタは、光導波路コアの平面形状が、第１グレーティングフィルタと異なっていて、その他の構成は、第１グレーティングフィルタと同様であるので、重複する説明を省略することもある。

第１及び第２グレーティングフィルタ部５０－１及び２は、第１グレーティングフィルタが備えるグレーティングフィルタ部と同様に構成される。第１グレーティングフィルタでは、第１～第Ｎコア２００－１～Ｎの第１～第Ｎサブ結合コア２２０－１～Ｎが設けられている側とは反対側に入出力ポート２１０－１～Ｎが設けられていて、第１～第Ｎコアを伝搬する光を取り出すことができる。一方、第２グレーティングフィルタでは、第１グレーティングフィルタ部５０－１の第１～第Ｎコア２２０－１～Ｎと、第２グレーティングフィルタ部５０－２の第１～第Ｎコア２２０－１～Ｎとが相互に結合されている。

第１グレーティングフィルタ部５０－１における第ｋ波長をλ_ａｋとし、第２グレーティングフィルタ部５０－２における第ｋ波長をλ_ｂｋとする。このとき、第１グレーティングフィルタ部５０－１が備えるグレーティング（以下、第１グレーティングとも称する。）と、第２グレーティングフィルタ部５０－２が備えるグレーティング（以下、第２グレーティングとも称する。）は、上記式（７）で与えられる、隣り合うＢｒａｇｇ波長の波長間隔がわずかに異なるように設定される。すなわち、第１グレーティングにおける第ｋ波長λ_ａｋ及び第ｋ－１波長λ_ａｋ－１の差と、第２グレーティングにおける第ｋ波長λ_ｂｋ及び第ｋ－１波長λ_ｂｋ－１の差とが異なる。

図４（Ｂ）に示すように、第１グレーティング１３０－１における第ｋ波長λ_ａｋと、第２グレーティングにおける第ｋ波長λ_ｂｋとが一致しているとすると、隣の波長である、第１グレーティングにおける第ｋ－１波長λ_ａｋ－１と、第２グレーティング１３０－
２における第ｋ－１波長λ_ｂｋ－１とが一致しない。このように、第１グレーティング１３０－１のＢｒａｇｇ波長と第２グレーティング１３０－２のＢｒａｇｇ波長とは、第ｋの波長λ_ａｋとλ_ｂｋのみが一致し、第ｋの波長以外では一致しない。

この結果、第１グレーティングフィルタ部５０－１の入出力ポート１１０－１から入力され、第１グレーティング１３０－１で反射された光のうち、第ｋ波長λ_ａｋのｋ次モードの光は、第ｋ導波路２２０－ｋを経て第２グレーティングフィルタ部５０－２に送られ、第２グレーティング１３０－２で反射されて基本モードの後進波となり、第２グレーティングフィルタ部５０－２の入出力ポート１１０－２から出力される。しかし、第１グレーティングフィルタ部５０－１から第２グレーティングフィルタ部５０－２に送られた、第ｋ波長λ_ａｋ以外の光については、出力されない。

このように、第２フィルタでは、第１グレーティング１３０－１で変換された、第１～第Ｎ波長λ_１～λ_Ｎの光のうち、１つの波長の光のみを選択的に取り出すことができる。

また、例えば、第１グレーティング１３０－１と第２グレーティング１３０－２の少なくとも一方に、ヒータにより熱を与えるなどして、等価屈折率を変化させる構成にすると、Ｂｒａｇｇ波長を変化させることができる。したがって、第１グレーティング１３０－１における第ｋ波長λ_ａｋと、第２グレーティング１３０－２における第ｋ波長λ_ｂｋとが一致している状態（図４（Ｂ））から、例えば、第２グレーティング１３０－２の等価屈折率を変化させ、図４（Ｃ）に示すように、第１グレーティング１３０－１における第ｋ－１波長λ_ａｋ－１と、第２グレーティング１３０－２における第ｋ－１波長λ_ｂｋ－１とが一致する状態にすることができる。

この場合、第１グレーティング１３０－１のＢｒａｇｇ波長と第２グレーティング１３０－２のＢｒａｇｇ波長とは、第ｋ－１波長λ_ａｋ－１ととλ_ｂｋ－１とのみが一致し、第ｋ－１波長以外では一致しない。このように、ヒータで熱を与えるなどして、第２グレーティングフィルタ部５０－２の入出力ポート１１０－２から所望の波長の光を選択的に取り出すことができる。

したがって、グレーティングの可変波長域が狭くても、この第２グレーティングフィルタでは、可変波長域を広くすることができる。このように、従来のＳｉ導波路型の波長フィルタに比べて、動作波長域をダイナミックに変化させることができる。

（実施例）
第１グレーティングフィルタの構成例について設計条件を検討する。ここでは、一例として、Ｎを２として、グレーティングが、ＴＥ偏波に対して、基本モードＴＥ０、１次モードＴＥ１及び２次モードＴＥ２が伝送可能である場合を説明する。

図５は、導波路幅に対する各伝送モードの等価屈折率を示す図である。図５は横軸に導波路幅（ｎｍ）を取って示し、縦軸に等価屈折率Ｎｅｆｆを取って示している。図５では、使用するＳＯＩウェハのＳＯＩ層の厚み、すなわち、光導波路コアの厚みを２２０ｎｍとしている。

図５に示されるように、ＴＥ２が伝搬するためには、導波路幅は８００ｎｍ以上あればよい。そこで、グレーティングにおける導波路コアの平均幅Ｗを１０００ｎｍとし、屈折率変調構造としての幅の凸凹量Ｄを２００ｎｍとした。

グレーティングを伝搬する基本モードの前進波は、基本モード、１次モード及び２次モードの後進波と結合可能である。このうち、最も次数の高い２次モードの後進波と最短波
長で結合する。この２次モードの後進波の波長、すなわち、第２の波長λ_２を例えば、１，５００ｎｍと設定する。上記式（４）に従い、各伝送モードの等価屈折率を代入すると屈折率変調周期Λ_２として３１０ｎｍが得られる。同じ構造の同一波長条件において、グレーティングを伝送する基本モードの前進波が１次モードの後進波と結合するために必要な屈折率変調周期Λ_１は、上記式（５）に従い２８２ｎｍとなる。

すなわち、波長１，５００ｎｍにおいて、基本モードの前進波が２次モードの後進波と結合するために必要な屈折率変調周期Λ_２（＝３１０ｎｍ）と、基本モードの前進波が１次モードの後進波と結合するために必要な屈折率変調周期Λ_１（＝２８２ｎｍ）との差ΔΛ（＝Λ_１－Λ_２）は、２８ｎｍとなる。したがって、上記式（７）から求められる基本モードの前進波と１次モードの後進波との結合波長との差分Δλは約１００ｎｍとなり、λ_１＝１，６００ｎｍとなる。

グレーティングを伝搬する基本モードの前進波は、グレーティングにおいて、第２波長λ_２（＝１，５００ｎｍ）の２次モードの後進波、及び、第１波長λ_１（＝１，６００ｎｍ）の１次モードの後進波となり、第２結合コアに送られる。第２結合コアを伝搬する２次モードの後進波は、第２結合領域において、第２サブ結合コアを伝搬する基本モードと相互結合し、第２コアの入出力ポートから、第２波長λ_２（＝１，５００ｎｍ）の光を取り出すことができる。

第２結合コアを伝搬する１次モードの後進波は、第１結合コアに送られる。第１結合コアを伝搬する１次モードの後進波は、第１結合領域において、第１サブ結合コアを伝搬する基本モードと相互結合し、第１コアの入出力ポートから、第１波長λ_１（＝１，６００ｎｍ）の光を取り出すことができる。

上記一連の動作を検証するために、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用いたシミュレーションを行った。図６は、グレーティングフィルタの透過スペクトルを示す図である。図６では、横軸に波長（単位：ｎｍ）を取って示し、縦軸に透過強度（単位：ｄＢ）を取って示している。また、メインコア、第１導波路及び第２導波路の入出力ポートにおける、透過スペクトルを、それぞれ、曲線Ｉ，ＩＩ及びＩＩＩで示している。

図６に示されるように、第２コア２００－２からは、１５００ｎｍの波長の光が取り出され（ＩＩＩ）、第１コア２００－１から、１６００ｎｍの光が取り出されている（ＩＩ）ことが確認できる。なお、メインコア１００から取り出される１６８０ｎｍ付近の光は、基本モードの前進波が、基本モードの後進波に結合して、メインコアの入出力ポートから取り出されたものである（Ｉ）。

以上説明したように、１つのグレーティングにおいて２の波長の光をそれぞれ異なるポートから取り出せることが検証できた。さらに、多くの波長を扱う場合には、グレーティングにおいて、より多くのモードが伝送できるように導波路寸法を定め、取り出す波長の数に応じた数の結合領域を設ければよい。

１０ 支持基板
２０ クラッド
３０ 光導波路コア
５０ グレーティングフィルタ部
１００ メインコア
１１０、２１０ 入出力ポート
１２０ 結合コア
１３０ グレーティング
２００ コア
２２０ サブ結合コア

Claims (4)

1. 支持基板と、
   前記支持基板上に形成されるクラッドと、
   前記クラッド中に埋設され、前記支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備え、
   前記光導波路コアと、該光導波路コアの周囲の前記クラッドから光導波路が構成される光導波路素子であって、
   グレーティングフィルタ部を備え
   前記グレーティングフィルタ部において、
   前記光導波路コアが、メインコア、及び、第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）コアを備え、
   前記メインコアが、順に直列に接続された、第１～第Ｎ結合コア、及び、周期Λで周期的に屈折率が変調されたグレーティングを備え、
   前記第ｋ（ｋは１以上Ｎ以下の整数）コアが、第ｋ結合コアと光の相互結合が可能な程度に間隔を開けて並列に配置された第ｋサブ結合コアを備え、
   前記第ｋ結合コアを伝搬する第ｋ次モードの光と、前記第ｋサブ結合コアを伝搬する基本モードの光とが相互結合し、
   前記グレーティングは、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏波及びＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏波の少なくとも一方の偏波に対して複数の高次モードが伝搬可能に構成され、かつ、
   前記グレーティングの屈折率変調周期Λ、第ｋ波長λｋ、基本モードの光の等価屈折率ｎ_０及び第ｋ次モードの光の等価屈折率ｎ_ｋが、Λ（ｎ_０＋ｎ_ｋ）＝λ_ｋを満たす
   ことを特徴とするグレーティングフィルタ。
2. 支持基板と、
   前記支持基板上に形成されるクラッドと、
   前記クラッド中に埋設され、前記支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備え、
   前記光導波路コアと、該光導波路コアの周囲の前記クラッドから光導波路が構成される光導波路素子であって、
   第１及び第２グレーティングフィルタ部を備え
   第１及び第２グレーティングフィルタ部のそれぞれにおいて、
   前記光導波路コアが、メインコア、及び、第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）コアを備え、
   前記第１及び第２メインコアが、それぞれ、順に直列に接続された、第１～第Ｎ結合コア、及び、周期Λで周期的に屈折率が変調されたグレーティングを備え、
   前記第ｋコアが、第ｋ結合コアと光の相互結合が可能な程度に間隔を開けて並列に配置された第ｋサブ結合コアを備え、
   前記第ｋ結合コアを伝搬する第ｋ次モードの光と、前記第ｋサブ結合コアを伝搬する基本モードの光とが相互結合し、
   前記グレーティングは、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の少なくとも一方の偏波に対して複数の高次モードが伝搬可能に構成され、かつ、
   前記グレーティングの屈折率変調周期Λ、第ｋ波長λｋ、基本モードの光の等価屈折率ｎ_０及び第ｋ次モードの光の等価屈折率ｎ_ｋが、Λ（ｎ_０＋ｎ_ｋ）＝λ_ｋを満たし、
   前記第１グレーティングフィルタ部の第ｋコアと、前記第２グレーティングフィルタ部の第ｋコアとが接続され、
   前記第１グレーティングフィルタ部のグレーティングおけるＢｒａｇｇ波長の、隣り合うピーク波長との波長間隔と、前記第２グレーティングフィルタ部におけるＢｒａｇｇ波長の、隣り合うピーク波長との波長間隔とが、互いに異なっており、
   前記第１グレーティングフィルタ部及び前記第２グレーティングフィルタ部の少なくとも一方のグレーティングの等価屈折率が可変である
   ことを特徴とするグレーティングフィルタ。
3. 前記グレーティングが、光の伝搬方向に沿った軸である伝送軸に対して、非対称であることを特徴とする請求項１又は２に記載のグレーティングフィルタ。
4. 前記グレーティングの屈折率変調周期Λが、光の伝搬方向に沿った軸である伝送軸に沿って、一定量ずつ変化しているチャープ構造である
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のグレーティングフィルタ。

Images