JP3566940B2 - アレイ導波路回折格子型光合分波器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光合波、光分波、光合分波の少なくともいずれか１つに使用されるアレイ導波路回折格子型光合分波器（Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ ｔｙｐｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ／Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信においては、その伝送容量を飛躍的に増加させる方法として、光波長多重通信の研究開発が盛んに行なわれ、実用化が進みつつある。光波長多重通信は、例えば互いに異なる波長を有する複数の光を波長多重化して伝送させるものである。このような光波長多重通信のシステムにおいては、伝送される波長多重光から互いに異なる複数の波長の光を分波したり、互いに異なる複数の波長の光を合波する光合分波器が必要である。
【０００３】
光合分波器の一例として、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ；Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）型光合分波器がある。アレイ導波路回折格子型光合分波器は、例えば図７の（ａ）に示すような導波路を有する光導波路部１０を基板１１上に形成したものである。
【０００４】
アレイ導波路回折格子型光合分波器の導波路構成は、１本以上の並設された光入力導波路１２と、該光入力導波路１２の出射側に接続された第１のスラブ導波路１３と、該第１のスラブ導波路１３の出射側に接続され、複数並設されたチャネル導波路１４ａから成るアレイ導波路１４と、該アレイ導波路１４の出射側に接続された第２のスラブ導波路１５と、該第２のスラブ導波路１５の出射側に複数並設接続された光出力導波路１６とを有して形成されている。
【０００５】
前記チャネル導波路１４ａは、第１のスラブ導波路１３から導出された光を伝搬するものであり、互いに設定量異なる長さに形成されている。
【０００６】
光入力導波路１２や光出力導波路１６は、例えばアレイ導波路回折格子型光合分波器によって分波される互いに異なる波長の信号光の数に対応させて設けられる。チャネル導波路１４ａは、通常、例えば１００本といったように多数設けられるが、図７の（ａ）においては、図の簡略化のために、これらの各導波路１２，１４ａ，１６の本数を簡略的に示してある。また、アレイ導波路回折格子型光合分波器を形成する導波路は、一般に、図の破線軸Ｃに対してほぼ対称に形成されている。
【０００７】
図７の（ａ）に示す鎖線枠Ａ内の拡大図の概略図が図７の（ｂ）に示されている。この図に示すように、従来のアレイ導波路回折格子型光合分波器においては、やや曲線形状の光入力導波路１２の出射側が第１のスラブ導波路１３の入射側に直接接続されている。また、同様に、第２のスラブ導波路１５の出射側に、やや曲線形状の光出力導波路１６の入射側が直接接続されている。
【０００８】
光入力導波路１２には、例えば送信側の光ファイバが接続されて、波長多重光が導入されるようになっている。光入力導波路１２を通って第１のスラブ導波路１３に導入された光は、その回折効果によって広がって複数の各チャネル導波路１４ａに入射し、アレイ導波路１４を伝搬する。
【０００９】
アレイ導波路１４を伝搬した光は、第２のスラブ導波路１５に達し、さらに、光出力導波路１６に集光されて出力される。各チャネル導波路１４ａの長さが設定量互いに異なることから、各チャネル導波路１４ａを伝搬した後に個々の光の位相にずれが生じ、このずれ量に応じて集束光の波面が傾く。この傾き角度により集光する位置が決まるため、波長の異なった光の集光位置は互いに異なる。このことにより、各波長の集光位置に光出力導波路１６を形成することによって、予め定めた設計波長間隔で互いに波長の異なった光を、各波長ごとに異なる光出力導波路１６から出力できる。
【００１０】
例えば、図７の（ａ）に示すように、１本の光入力導波路１２から、前記設計波長間隔で互いに異なる波長λ１，λ２，λ３，・・・λｎ（ｎは２以上の整数）をもつ波長多重光を入力させると、これらの光は、第１のスラブ導波路１３で広げられ、アレイ導波路１４に到達する。そして、光はさらに第２のスラブ導波路１５を通って、前記の如く、波長によって異なる位置に集光され、互いに異なる光出力導波路１６に入射する。そして、それぞれの光出力導波路１６を通って、光出力導波路１６の出射端から出力される。
【００１１】
各光出力導波路１６の出射端に光出力用の光ファイバを接続することにより、この光ファイバを介して、前記各波長の光が取り出される。
【００１２】
また、アレイ導波路型回折格子は、光の相反性（可逆性）の原理を利用しているため、光分波器としての機能と共に、光合波器としての機能も有している。すなわち、図７の（ａ）とは逆に、互いに前記設計波長間隔で異なる複数の波長の光をそれぞれの波長ごとにそれぞれの光出力導波路１６から入射させると、これらの光は、上記と逆の伝搬経路を通って合波され、１本の光入力導波路１２から波長多重光が出射される。
【００１３】
このアレイ導波路回折格子型光合分波器においては、回折格子の波長分解能の向上が回折格子を構成する隣接するチャネル導波路１４ａ同士の長さの差（ΔＬ）に比例する。したがって、ΔＬを大きく設計することにより、従来の光合分波器では実現できなかった波長間隔の狭い波長多重光の光合分波が可能となる。例えば、ΔＬを大きくして分波または合波する設計波長間隔を１ｎｍ以下に設計することにより、波長間隔が１ｎｍ以下の複数の光信号を分波または合波する機能を果たすことができ、高密度の光波長多重通信の実現に必要とされている複数の信号光の光合分波機能を果たすことができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に、アレイ導波路回折格子型光合分波器は、外部環境温度（使用環境温度）の変化に対して光透過波長（分波または合波される光の波長）が大きく変化する。そのため、外部環境温度が変化すると、アレイ導波路回折格子型光合分波器を用いて所望の波長の光を正確に合分波することができない。
【００１５】
そこで、従来は、温度調節用のペルチェ素子等を設けてアレイ導波路回折格子型光合分波器を一定温度に保つことにより、上記外部環境温度の変動に伴う光透過波長の変動を抑制している。しかし、この種のアレイ導波路回折格子型光合分波器においては、ペルチェ素子とその温度制御のための回路を設けるために、アレイ導波路回折格子型光合分波器のコストが増大し、しかも、温度制御のための電力が必要であるといった問題がある。
【００１６】
そのため、外部環境温度に依存することなく、安定にアレイ導波路回折格子型光合分波器によって所望の波長の光を合分波できるようにすることが望まれている。
【００１７】
また、アレイ導波路回折格子型光合分波器を用いて光波長多重通信を行なうに際し、この通信を高品質に行なうためには、隣接する通過波長に対するクロストーク（以下、隣接クロストークと呼ぶ）の抑制効果を向上させることも大きな課題となっている。
【００１８】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、外部環境温度に依存することなく、安定に所望の波長の光を合分波でき、アレイ導波路回折格子型光合分波器の隣接クロストークを向上させて高品質の光波長多重通信を実現するアレイ導波路回折格子型光合分波器を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、本発明は、１本以上の並設された光入力導波路と、前記光入力導波路の出射側に接続された第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路の出射側に接続され、互いに設定量異なる長さの複数並設されたチャネル導波路から成るアレイ導波路と、前記アレイ導波路の出射側に接続された第２のスラブ導波路と、前記第２のスラブ導波路の出射側に複数並設接続された光出力導波路とを有し、予め定めた設計波長間隔の互いに異なる複数の波長をもった光から互いに異なる複数の波長の光を分波する光分波機能と、前記設計波長間隔で互いに異なる複数の波長の光を合波する光合波機能とを有し、少なくとも１本以上の光入力導波路と少なくとも１本以上の光出力導波路との少なくとも一方の光入（出）力導波路には、接続相手のスラブ導波路との間に略矩形状電界分布形成導波路が接続され、該略矩形状電界分布形成導波路は、光入（出）力導波路側から対応するスラブ導波路側に向かう光の電界振幅分布をガウシアン形状から略矩形形状に変化させる導波路であり、前記略矩形状電界分布形成導波路は接続相手の対応するスラブ導波路側に向かうにつれて拡幅する台形状導波路で構成され、この台形状導波路の狭幅端には該狭幅端の幅と同じ幅の等幅直線導波路の一端が接続され、その等幅直線導波路の他端には該等幅直線導波路の幅よりも狭幅の光入（出）力導波路が直接接続されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２０】
本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、例えば入力導波路側からスラブ導波路側に向かう光の電界振幅分布をガウシアン形状から略矩形形状に変化させるものであるため、第１のスラブ導波路の入射面において、光入力導波路側から第１のスラブ導波路に入射する光の電界振幅分布を略矩形形状にできる。
【００２１】
それにより、アレイ導波路回折格子型光合分波器の透過スペクトルを例えば図２の（ｂ）に示すように、平坦化領域の幅を広くし、しかも、スペクトルの裾野部分の立ち上がりを良好に（急峻に）することが可能となる。
【００２２】
そして、このようにすることで、中心波長平坦性を向上させるとともに、隣接クロストークをさらに抑制でき、外部環境温度変化によって光透過中心波長が多少ずれても、アレイ導波路回折格子型光合分波器を支障なく機能することが可能となる。
【００２３】
なお、本明細書において、略矩形形状とは、例えば図２の（ａ）に示すように、山の裾野部分（同図に示すＡの部分）の立ち上がりが良好で（裾野部分がなだらかでなく）、山の頂上領域（同図に示す領域Ｂ）が比較的平坦な形状（例えば図５のｂ’に示すような落ち込み部を有して多少凹凸が形成されているものも含む）を表現したものである。
【００２４】
また、前記略矩形状電界分布形成導波路を、対応する光入力導波路または光出力導波路の幅よりも広幅で、かつ、対応するスラブ導波路側に向かうにつれて拡幅する台形状導波路により形成したり、台形状導波路の狭幅端側に該狭幅端と等幅の等幅直線導波路部を設けたりすると、上記のように、入力導波路側又は出力導波路側から対応するスラブ導波路側に向かう光の電界振幅分布をガウシアン形状から略矩形形状に変化させることが可能となる。
【００２５】
なお、これらの詳細は、本願と同じ柏原、奈良を発明者とした日本国特許出願（出願番号：特願平１１−３７０６０２号、出願日平成１１年１２月２７日、出願番号：特願２０００−５８６４６、出願日２０００年３月３日、特願２０００−１０２４７３、出願日２０００年４月４日、特願２０００−２８５４４８、出願日２０００年９月２０日）に記述されている。
【００２６】
また、上記日本国特許出願における検討により、光入力導波路側又は光出力導波路側から対応するスラブ導波路に入射する光の電界振幅分布を、略矩形形状にすることにより、前記の如く透過スペクトルの平坦性が向上して１ｄＢ帯域幅が広くなり、隣接クロストークが小さいアレイ導波路回折格子型光合分波器を提供することが可能になることも確認されている。
【００２７】
したがって、本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、従来の一般的なアレイ導波路回折格子型光合分波器に比べ、透過スペクトルの１ｄＢ帯域幅が広く、隣接クロストークが低いアレイ導波路回折格子型光合分波器とすることが可能となった。
【００２８】
すなわち、本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は以上のことにより、安定した小さい隣接クロストークに抑制できる効果に加え、外部環境温度に依存することなく、所望の波長の光を安定に合分波できる効果が得られるものであり、隣接クロストークが安定化し、かつ、外部環境温度に依存することなく、さらに安定に所望の光を合分波できることになる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の一例のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、例えば光入力導波路から入力される予め定めた設計波長間隔の互いに異なる複数の波長をもった光から該互いに異なる複数の波長（例えばλ１、λ２、λ３、・・・λｎ）の光を分波して各光出力導波路から出力する光分波機能を有している。
【００３０】
従来のアレイ導波路回折格子型光合分波器の光透過波長特性は例えば図８の（ｃ）に示すものであり、予め定めた設計波長間隔の互いに異なる複数の波長（例えばλ１、λ３、・・・）の光を入力して、予め定めた設計波長間隔の互いに異なる複数の波長（λ１、λ３、・・・）の光を分波して各光出力導波路から出力する。このアレイ導波路回折格子型光合分波器の光透過波長特性は、各光透過中心波長を中心としたスペクトル幅の重なりが多く、低隣接クロストーク化が困難である。
【００３１】
一方、本発明の一例においては、例えば、図８の（ａ）に示す光透過波長特性を有するアレイ導波路回折格子型光合分波器（設計波長間隔がλ１、λ２、λ３、・・・）に、前記設計波長間隔の概略整数倍の波長間隔で互いに異なる複数の波長（例えばλ１、λ３、・・・）をもった波長多重光を入射して、この光を波長が前記波長間隔の整数倍の波長間隔で異なる複数の光に分波するものであり、このときの光透過波長特性は図８の（ｂ）に示すようになる。
【００３２】
つまり、各光透過中心波長を中心としたスペクトルの重なりが少なく、図８の（ｃ）に示した光透過波長特性を有するアレイ導波路回折格子型光合分波器に同じ波長多重光（λ１、λ３、・・・）を入射して分波（λ１、λ３、・・・）を行なう場合に比べ、本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、低隣接クロストーク化が容易である。
【００３３】
すなわち、本発明は、例えば１００ＧＨｚ間隔の光合分波機能を有するアレイ導波路回折格子型光合分波器を設計し、例えば２００ＧＨｚ間隔の互いに異なる複数の波長の多重光を入射し、２００ＧＨｚ間隔の互いに異なる複数の波長の光を分波させる。１００ＧＨｚ間隔の互いに異なる複数の光を分波できる光出力導波路を配置し、２００ＧＨｚ間隔の互いに異なる波長の複数の光を分波できる光出力導波路を使用するように、または、それらの位置に光出力導波路を配置するように設計する。
【００３４】
そうすると、隣接する波長（つまり、隣接する波長に対して±０．２ｎｍ）でのクロストークをバックグランドクロストーク（中心波長に対して±１．６ｎｍ以遠で±１／２・ＦＳＲ以内の各波長でのクロストーク）の範囲内とし、安定した隣接クロストークとなる。なお、ＦＳＲはＦｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ（自由スペクトル領域）のことである。
【００３５】
さらに、前記の如く、アレイ導波路回折格子型光合分波器は、外部環境温度の変化に対して光の透過波長（上記分波または合波される波長）が変化する。そのため、一般には、温度制御等を行なわない限り上記光透過波長の中心波長ずれ（光透過中心波長のずれ）による特性劣化（急激な損失変化、隣接クロストークの劣化）を抑制することが困難であり、上記設計を用いても、この特性劣化を抑制することが困難である。
【００３６】
そこで、上記設計に加えて、アレイ導波路回折格子型光合分波器の透過スペクトルを、光透過中心波長の長波長側と短波長側両方に、帯域幅が前記温度の変化による中心波長ずれを吸収できるくらい広い平坦化領域を有するものにすれば、その中心波長ずれによる特性劣化の抑制が可能になる。そのようにすれば、外部環境温度の変化により光透過中心波長が多少ずれても、帯域幅の広い平坦化領域内でのずれになるので、アレイ導波路回折格子型光合分波器を外部環境温度変化に対して問題なく機能することが可能となる。
【００３７】
以下、詳細に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態例の説明において、図７の（ａ）、（ｂ）に示した従来例と共通名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略又は簡略化する。図１の（ａ）には、本発明に係るアレイ導波路回折格子型光合分波器の第１実施形態例の構成が、模式的に示されており、図１の（ｂ）には、図１の（ａ）に示す破線領域Ａ内の拡大図が示されている。
【００３８】
図１の（ａ）に示した第１実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、図７の（ａ）に示したアレイ導波路回折格子型光合分波器とほぼ同様に構成されているが、この第１実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器が従来例と異なる第１の点は、図１の（ｂ）に示すように、各光入力導波路１２の出射側に、光入力導波路１２の幅よりも広幅で、かつ、対応する（接続相手の）スラブ導波路（第１のスラブ導波路１３）側に向かうにつれて拡幅する台形状導波路５を接続したことである。
【００３９】
本実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器が従来例と異なる第２の点は、上記台形状導波路５の狭幅端に、該狭幅端と等幅の等幅直線導波路部２５を設けたことである。以下、台形状導波路５に前記の等幅直線導波路部２５を設けた導波路をスピーカー型導波路５０と呼ぶ。
【００４０】
本実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器が従来例と異なる第３の点は、上記スピーカー型導波路５０と光入力導波路１２との間に、光入力導波路１２の幅よりも狭幅の狭幅直線導波路１を接続したことである。
【００４１】
本実施形態例において、スピーカー型導波路５０は、各光入力導波路１２側から第１のスラブ導波路１３側に向かう光の電界振幅分布を、ガウシアン形状から略矩形形状に変化させる略矩形状電界分布形成導波路として機能するものであり、具体的には、以下のように構成されている。
【００４２】
すなわち、スピーカー型導波路５０は、前記各光入力導波路１２の幅（Ｗ１）よりも広幅で、かつ、第１のスラブ導波路１３側に向かうにつれて拡幅する台形状導波路５の狭幅端側（上底４側）に、狭幅端の幅（Ｗ３）と等幅の等幅直線導波路部２５を設けて形成されている。等幅直線導波路部２５の長さはＬ３である。また、台形状導波路５はテーパ角度θで拡幅しており、台形状導波路５の下底６は僅かに曲線状と成し、この下底６の幅はＷ４である。
【００４３】
また、各狭幅直線導波路１の幅方向の中心は、対応する等幅直線導波路部２５の入射端の幅方向の中心と位置合わせされている。前記各狭幅直線導波路１は、各狭幅直線導波路１に接続されている光入力導波路１２を伝搬してきた光信号のパワーの中心を狭幅直線導波路１の幅方向の中心に移動させて、該光信号パワー中心を等幅直線導波路部２５の入射端の幅方向の中心に入射させる光パワー中心位置調整手段と成している。狭幅直線導波路１の幅はＷ２であり、その長さはＬ２である。
【００４４】
本実施形態例において、上記パラメータは、以下のように設定されている。すなわち、光入力導波路１２の幅Ｗ１＝６．５μｍ、狭幅直線導波路１の幅Ｗ２＝３．０μｍ、狭幅直線導波路１の長さＬ２＝５００μｍ、等幅直線導波路部２５の幅（スピーカー型導波路５０の狭幅端幅）Ｗ３＝２４．５μｍ、等幅直線導波路部２５の長さＬ３＝２５０μｍ、テーパ角度θ＝０．４°、台形状導波路５の下底６の幅（スピーカー型導波路５０の拡幅端幅）Ｗ４＝３７．９μｍである。また、各導波路を形成するコアの高さは６．５μｍ、各導波路のクラッドに対するコアの比屈折率差Δは０．８％である。
【００４５】
本実施形態例は以上のような導波路構成を有しており、本実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、光分波機能と、光合波機能を持つ。
【００４６】
光分波機能は、前記光入力導波路１２から入力される互いに異なる複数の波長をもった光から、予め定めた設計波長間隔としての１００ＧＨｚ間隔（約０．８ｎｍ）の互いに異なる複数の波長の光を分波して各光出力導波路１６から出力する機能である。光合波機能は、前記各光出力導波路１６から入力される互いに波長が前記設計波長間隔で異なる複数の光を合波して前記光入力導波路１２から出力する機能である。
【００４７】
さらに、本実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器が従来例と異なる第４の点は、第１実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、前記設計波長間隔の整数倍である２倍の波長間隔（２００ＧＨｚ；約１．６ｎｍ）で互いに異なる複数の波長をもった光を入射して該光を前記設計波長間隔の倍の波長間隔（２００ＧＨｚ）で互いに波長が異なる複数の光に分波して出力する設計を行う。または、アレイ導波路回折格子型光合分波器に、前記設計波長間隔の２倍の波長間隔で互いに波長が異なる光をそれぞれの導波路から入射し、各波長の複数の光を合波して出力する設計を行うことである。
【００４８】
なお、第１実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器の構成および設計を決定するにあたり、以下の検討を行なった。すなわち、例えば、本実施形態例のように、１００ＧＨｚ間隔の光合分波機能を有するアレイ導波路回折格子型光合分波器を設計し、２００ＧＨｚ間隔の互いに異なる複数の波長の多重光を入射し、２００ＧＨｚ間隔の互いに異なる複数の波長の光を分波させることによって、隣接する波長（つまり、隣接する波長に対して±０．２ｎｍ）でのクロストークがバックグランドクロストーク（中心波長に対して±１．６ｎｍ以遠で±１／２・ＦＳＲ以内の各波長でのクロストーク）の範囲に設定でき、安定した隣接クロストークを得ることができると考えた。
【００４９】
また、外部環境温度変化によって光透過中心波長が多少ずれても、アレイ導波路回折格子型光合分波器を問題なく機能させて高品質の光波長多重通信を実現するために、アレイ導波路回折格子型光合分波器の透過スペクトルにおける中心波長平坦性を向上させることが必要であり、そのためには、１ｄＢ帯域幅を前記温度の変化による中心波長ずれを吸収できるくらい広くすることが必要となる。
【００５０】
さらに、隣接クロストークの抑制向上を考えた場合、アレイ導波路回折格子型光合分波器の透過スペクトル波形における裾野部分の立ち上がりを良好にする（急峻にする）ことも必要となる。
【００５１】
そこで、前記した日本国特許出願（出願番号：特願平１１−３７０６０２号、特願２０００−１０２４７３、特願２０００−２８５４４８）の記載から明らかなように、上記構成のスピーカー型導波路５０を光入力導波路１２の出射側に設けることにより、第１のスラブ導波路１３側に向かう光の電界振幅分布をガウシアン形状から略矩形形状に変化させ、それにより、１ｄＢ帯域幅が広く、アレイ導波路回折格子型光合分波器の光透過中心波長をもつ透過スペクトル波形における裾野部分の立ち上がりを良好にした。そしてこのようにアレイ導波路回折格子型光合分波器を構成した上で、前記本発明の設計を適用するようにした。
【００５２】
具体的には、第１実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、以下のようにして設計されている。すなわち、使用環境温度内でアレイ導波路回折格子型光合分波器の光透過中心波長を、例えば、設定波長としてのＩＴＵグリッド波長とほぼ一致させるようにした。そのために、まず、アレイ導波路回折格子型光合分波器の使用環境温度（０℃〜７０℃）の中心温度である３５℃で光透過中心波長がＩＴＵグリッド波長と一致するように設計した。
【００５３】
また、アレイ導波路回折格子型光合分波器の光透過中心波長の温度依存性（０．０１１ｎｍ／℃）を考慮すると、０℃〜７０℃における光透過中心波長のシフト量が０．７７ｎｍであり、この温度依存性による中心波長変化分よりも、光透過中心波長の通過帯域幅が広ければよいことになる。そこで、光波長多重通信システム側から要求されている１ｄＢ帯域幅が０．３ｎｍ程度であることから、前記光透過中心波長のシフト量である０．７７ｎｍに０．３ｎｍを加算すると、約１．１ｎｍとなるので、１ｄＢ帯域幅が約１．１ｎｍ以上となるようにアレイ導波路回折格子型光合分波器を設計した。
【００５４】
さらに、隣接クロストークは、通常、２００ＧＨｚ間隔の合分波の場合、中心波長に対して、分波する波長間隔（この実施形態例の場合、１．６ｎｍ）±０．２ｎｍの隣接波長範囲における最悪クロストークを示す。そこで、光透過中心波長の温度依存性（光透過中心波長のシフト量）を考慮すると、０．７７ｎｍ／２＝０．３８５ｎｍをさらに加えて、１．６ｎｍ±０．６ｎｍの波長範囲内における最悪クロストークが、光波長多重通信システム側から要求されている隣接クロストークの値−２６ｄＢ以下となるようにアレイ導波路回折格子型光合分波器を設計した。
【００５５】
その結果、本実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、前記導波路構成を有し、各パラメータを前記の如く形成したものとなり、例えば図２の（ｂ）に示すように、１ｄＢ帯域幅が１．１４ｎｍ、リップルが０．２ｄＢ、隣接クロストーク（この場合、光透過中心波長に対して１．６ｎｍ±０．６ｎｍの波長範囲内における最悪クロストークを求めたもの）が−２７ｄＢの特性を有するアレイ導波路回折格子型光合分波器となった。
【００５６】
本実施形態例によれば、アレイ導波路回折格子型光合分波器によって光合分波する波長間隔を１００ＧＨｚに設計しておいて、入力する光の波長間隔を２００ＧＨｚにし、かつ、各光入力導波路１２の出射側にスピーカー型導波路５０を設けることにより、アレイ導波路回折格子型光合分波器の透過スペクトルの平坦性を向上させ、アレイ導波路回折格子型光合分波器の外部環境温度によって光透過中心波長が多少ずれても、十分なアイソレーションがとれるようにした。
【００５７】
その結果、本実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、外部環境温度に依存することなく、安定にＩＴＵグリッド波長の光を合分波でき、アレイ導波路回折格子型光合分波器の隣接クロストークの抑制効果を向上させて、高品質の光波長多重通信を確実に可能とすることができる。
【００５８】
次に、本発明に係るアレイ導波路回折格子型光合分波器の第２実施形態例について説明する。なお、第２実施形態例の説明において、上記第１実施形態例との重複説明は省略する。
【００５９】
図３には、第２実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器における光入力導波路１２の出射側と第１のスラブ導波路１３との接続構造が示されている。第１実施形態例と第２実施形態例はその接続構造が異なり、それ以外の構成については、第２実施形態例は上記第１実施形態例とほぼ同様である。
【００６０】
第２実施形態例が上記第１実施形態例と異なることは、第１実施形態例に設けられている直線導波路１とスピーカー型導波路５０における等幅直線導波路部２５を省略し、光入力導波路１２の出射側に台形状導波路５を略矩形状電界分布形成導波路として直接接続したことである。
【００６１】
第２実施形態例では、光入力導波路１２を伝搬する光強度の中心位置が光入力導波路１２の幅方向中心位置からずれないように設計している。したがって、上記第１実施形態例に設けた直線導波路１を省略しても、光入力導波路１２を伝搬する光強度の中心位置が台形状導波路５の狭幅端（上底４）の幅方向中心位置に入射される。
【００６２】
また、スピーカー型導波路５０と台形状導波路５の機能はほぼ同様であり、したがって、台形状導波路５によって光電界振幅分布を適切に変化させることができる。そのため、第２実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器は上記第１実施形態例と同様に、光透過中心波長の平坦性を良好にできるものである。
【００６３】
すなわち、第２実施形態例において、図４に示すように、光入力導波路１２を通る光は、その電界振幅形状がガウシアン形状である。そして、その光強度中心は台形状導波路５に入射し、光は、光電界振幅分布を台形状導波路５内で変化させながら進行して行く。その際、光電界振幅分布の裾野部分が光の進行に伴って切り落とされて全体として分布幅を広げながら略矩形形状となるように進行していく。そして、台形状導波路５の出射端（下底６）では図５に示す形状になり、上記第１実施形態例と同様に、光透過中心波長の平坦性を良好にできる。
【００６４】
第２実施形態例において、アレイ導波路回折格子型光合分波器の導波路構成を形成する各パラメータは、以下に示すものである。すなわち、光入力導波路１２の幅Ｗ１＝６．５μｍ、台形状導波路５の狭幅端幅Ｗ３＝２２．５μｍ、テーパ角度θ＝０．３°、台形状導波路５の下底６の幅Ｗ４＝６１．５μｍである。また、各導波路を形成するコアの高さおよび比屈折率差は上記第１実施形態例と同一値である。
【００６５】
第２実施形態例においても、上記第１実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器を設計するときとほぼ同様にして設計した。
【００６６】
その結果、第２実施形態例においても上記第１実施形態例と同様の作用により、ほぼ同様の効果を奏することができた。
【００６７】
上記のように構成した第２実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器を５個作製し（サンプル１〜５）、波長１．５５μｍ帯において２００ＧＨｚの波長間隔を有する互いに異なる波長の光をもった波長多重光を光入力導波路１２から入射して、アレイ導波路回折格子型光合分波器から出射される光の１ｄＢ帯域幅と隣接クロストーク特性を評価したところ、表１に示す結果が得られた。なお、表１に示す隣接クロストークは、中心波長に対して１．６±０．６ｎｍの隣接波長範囲における最悪クロストークとして測定した結果を示す。
【００６８】
【表１】
【００６９】
その結果、第２実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、１．５５μｍ帯において２００ＧＨｚの波長間隔の光合分波機能を有するアレイ導波路回折格子型光合分波器に対し、１ｄＢ帯域幅が同等で、隣接クロストークは格段に良好、かつ、安定であることが確認できた。
【００７０】
なお、本発明は上記各実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば上記実施形態例では、全部の各光入力導波路１２の出射側にスピーカー型導波路５０または台形状導波路５を設けたが、少なくとも１本以上の光入力導波路１２の出射側にスピーカー型導波路５０や台形状導波路５を設けてもよい。
【００７１】
また、本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、少なくとも１本以上の出力導波路１６の入射側に第２のスラブ導波路１５側に向かうにつれて拡幅する台形状導波路や該台形状導波路を有するスピーカー型導波路を接続して形成してもよい。また、本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、少なくとも１本以上の光入力導波路１２の出射側と少なくとも１本以上の光出力導波路１６の入射側の両方に台形状導波路やスピーカー型導波路を設けて形成してもよい。
【００７２】
なお、本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器において、光出力導波路１６側に台形状導波路やスピーカー型導波路を設ける場合は、台形状導波路やスピーカー型導波路の幅を光出力導波路１６の幅よりも広幅とする。
【００７３】
また、上記第１実施形態例では、スピーカー型導波路５０と光入力導波路１２の間に狭幅直線導波路１を介設したが、図６の（ａ）に示すように、光入力導波路１２の出射側や光出力導波路１６の入射側にスピーカー型導波路５０を直接接続してもよい。
【００７４】
さらに、上記第２実施形態例では、光入力導波路１２の出射側に台形状導波路５を直接接続したが、図６の（ｂ）に示すように、光入力導波路１２と台形状導波路５の間に狭幅直線導波路１を介設してもよいし、光出力導波路１６の入射側に台形状導波路５を設ける場合にも、光出力導波路１６と台形状導波路５との間に狭幅直線導波路１を介設してもよい。
【００７５】
さらに、上記のアレイ導波路回折格子型光合分波器において、台形状導波路の幅や長さやテーパ角度、狭幅直線状導波路の長さや幅、スピーカー型導波路５０における等幅直線導波路部の幅や長さ等は特に限定されるものではなく適宜設定されるものである。例えば図４に示したような光電界振幅分布のシミュレーション結果に基づいて、アレイ導波路回折格子型光合分波器の仕様に合わせて上記各値を設定することにより、上記各実施形態例のような優れた効果を奏するアレイ導波路回折格子型光合分波器とすることができる。
【００７６】
さらに、上記各実施形態例では、光入力導波路１２から入射される波長多重光を、予め定めた設計波長間隔の互いに異なる複数の波長の光に分波して各光出力導波路１６から出力できるように、設計波長間隔の互いに異なる複数の波長の光を取り出せる位置に各光出力導波路１６を形成したが、前記設計波長間隔の概略整数倍の間隔の光のみを取り出せる位置に（例えば上記実施形態例のように設計波長間隔の２倍の波長間隔の光を出力する場合には、１本おきに）光出力導波路１６を形成してもよい。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば、少なくとも１本以上の光入力導波路と少なくとも１本以上の出力導波路との少なくとも一方に、接続相手のスラブ導波路との間に略矩形状電界分布形成導波路を接続することにより、アレイ導波路回折格子型光合分波器の光透過中心波長の平坦性を前記温度変化による中心波長ずれを吸収できるくらい向上させ、さらに、隣接クロストークを抑制できる。
【００７８】
そのため、本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、外部環境温度変化によって光透過中心波長が多少ずれても、アレイ導波路回折格子型光合分波器を問題なく機能させることができ、高品質の光波長多重通信の実現を図ることができる。
【００７９】
また、本発明において、略矩形状電界分布形成導波路を、対応する光入力導波路または光出力導波路の幅よりも広幅で、かつ、対応するスラブ導波路側に向かうにつれて拡幅する台形状導波路により形成し、台形状導波路の狭幅端側に該狭幅端と等幅の等幅直線導波路部を設けることにより、入力導波路側又は出力導波路側から対応するスラブ導波路側に向かう光の電界振幅分布をガウシアン形状から略矩形形状に変化させることができ、上記効果を確実に奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係るアレイ導波路回折格子型光合分波器の第１実施形態例を示す構成図であり、（ｂ）は、図１の（ａ）の領域Ａ部分の拡大説明図である。
【図２】（ａ）は第１実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器におけるスピーカー型導波路の出力端の光電界振幅分布を示すグラフであり、（ｂ）は第１実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器の光透過特性を示すグラフである。
【図３】本発明に係るアレイ導波路回折格子型光合分波器の第２実施形態例における光入力導波路の出射端部を示す構成図である。
【図４】第２実施形態例における、光入力導波路と台形状導波路を伝搬する光電界振幅分布を、立体的に示すシミュレーション結果の説明図である。
【図５】第２実施形態例における台形状導波路の出力端における光電界振幅分布を示すグラフである。
【図６】本発明に係るアレイ導波路回折格子型光合分波器の他の実施形態例における光入力導波路と第１のスラブ導波路との接続部構造例を示す説明図である。
【図７】（ａ）は、従来のアレイ導波路回折格子型光合分波器の構成を示す説明図であり、（ｂ）は、（ａ）の領域Ａ部分を拡大して示す説明図である。
【図８】アレイ導波路回折格子型光合分波器の各波長光の光透過特性例をそれぞれ比較状態で示すグラフである。
【符号の説明】
１ 狭幅直線導波路
３ 斜辺
５ 台形状導波路
１１ 基板
１２ 光入力導波路
１３ 第１のスラブ導波路
１４ アレイ導波路
１５ 第２のスラブ導波路
１６ 光出力導波路
２５ 等幅直線導波路部
５０ スピーカー型導波路
【発明の属する技術分野】
本発明は、光合波、光分波、光合分波の少なくともいずれか１つに使用されるアレイ導波路回折格子型光合分波器（Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ ｔｙｐｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ／Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信においては、その伝送容量を飛躍的に増加させる方法として、光波長多重通信の研究開発が盛んに行なわれ、実用化が進みつつある。光波長多重通信は、例えば互いに異なる波長を有する複数の光を波長多重化して伝送させるものである。このような光波長多重通信のシステムにおいては、伝送される波長多重光から互いに異なる複数の波長の光を分波したり、互いに異なる複数の波長の光を合波する光合分波器が必要である。
【０００３】
光合分波器の一例として、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ；Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）型光合分波器がある。アレイ導波路回折格子型光合分波器は、例えば図７の（ａ）に示すような導波路を有する光導波路部１０を基板１１上に形成したものである。
【０００４】
アレイ導波路回折格子型光合分波器の導波路構成は、１本以上の並設された光入力導波路１２と、該光入力導波路１２の出射側に接続された第１のスラブ導波路１３と、該第１のスラブ導波路１３の出射側に接続され、複数並設されたチャネル導波路１４ａから成るアレイ導波路１４と、該アレイ導波路１４の出射側に接続された第２のスラブ導波路１５と、該第２のスラブ導波路１５の出射側に複数並設接続された光出力導波路１６とを有して形成されている。
【０００５】
前記チャネル導波路１４ａは、第１のスラブ導波路１３から導出された光を伝搬するものであり、互いに設定量異なる長さに形成されている。
【０００６】
光入力導波路１２や光出力導波路１６は、例えばアレイ導波路回折格子型光合分波器によって分波される互いに異なる波長の信号光の数に対応させて設けられる。チャネル導波路１４ａは、通常、例えば１００本といったように多数設けられるが、図７の（ａ）においては、図の簡略化のために、これらの各導波路１２，１４ａ，１６の本数を簡略的に示してある。また、アレイ導波路回折格子型光合分波器を形成する導波路は、一般に、図の破線軸Ｃに対してほぼ対称に形成されている。
【０００７】
図７の（ａ）に示す鎖線枠Ａ内の拡大図の概略図が図７の（ｂ）に示されている。この図に示すように、従来のアレイ導波路回折格子型光合分波器においては、やや曲線形状の光入力導波路１２の出射側が第１のスラブ導波路１３の入射側に直接接続されている。また、同様に、第２のスラブ導波路１５の出射側に、やや曲線形状の光出力導波路１６の入射側が直接接続されている。
【０００８】
光入力導波路１２には、例えば送信側の光ファイバが接続されて、波長多重光が導入されるようになっている。光入力導波路１２を通って第１のスラブ導波路１３に導入された光は、その回折効果によって広がって複数の各チャネル導波路１４ａに入射し、アレイ導波路１４を伝搬する。
【０００９】
アレイ導波路１４を伝搬した光は、第２のスラブ導波路１５に達し、さらに、光出力導波路１６に集光されて出力される。各チャネル導波路１４ａの長さが設定量互いに異なることから、各チャネル導波路１４ａを伝搬した後に個々の光の位相にずれが生じ、このずれ量に応じて集束光の波面が傾く。この傾き角度により集光する位置が決まるため、波長の異なった光の集光位置は互いに異なる。このことにより、各波長の集光位置に光出力導波路１６を形成することによって、予め定めた設計波長間隔で互いに波長の異なった光を、各波長ごとに異なる光出力導波路１６から出力できる。
【００１０】
例えば、図７の（ａ）に示すように、１本の光入力導波路１２から、前記設計波長間隔で互いに異なる波長λ１，λ２，λ３，・・・λｎ（ｎは２以上の整数）をもつ波長多重光を入力させると、これらの光は、第１のスラブ導波路１３で広げられ、アレイ導波路１４に到達する。そして、光はさらに第２のスラブ導波路１５を通って、前記の如く、波長によって異なる位置に集光され、互いに異なる光出力導波路１６に入射する。そして、それぞれの光出力導波路１６を通って、光出力導波路１６の出射端から出力される。
【００１１】
各光出力導波路１６の出射端に光出力用の光ファイバを接続することにより、この光ファイバを介して、前記各波長の光が取り出される。
【００１２】
また、アレイ導波路型回折格子は、光の相反性（可逆性）の原理を利用しているため、光分波器としての機能と共に、光合波器としての機能も有している。すなわち、図７の（ａ）とは逆に、互いに前記設計波長間隔で異なる複数の波長の光をそれぞれの波長ごとにそれぞれの光出力導波路１６から入射させると、これらの光は、上記と逆の伝搬経路を通って合波され、１本の光入力導波路１２から波長多重光が出射される。
【００１３】
このアレイ導波路回折格子型光合分波器においては、回折格子の波長分解能の向上が回折格子を構成する隣接するチャネル導波路１４ａ同士の長さの差（ΔＬ）に比例する。したがって、ΔＬを大きく設計することにより、従来の光合分波器では実現できなかった波長間隔の狭い波長多重光の光合分波が可能となる。例えば、ΔＬを大きくして分波または合波する設計波長間隔を１ｎｍ以下に設計することにより、波長間隔が１ｎｍ以下の複数の光信号を分波または合波する機能を果たすことができ、高密度の光波長多重通信の実現に必要とされている複数の信号光の光合分波機能を果たすことができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に、アレイ導波路回折格子型光合分波器は、外部環境温度（使用環境温度）の変化に対して光透過波長（分波または合波される光の波長）が大きく変化する。そのため、外部環境温度が変化すると、アレイ導波路回折格子型光合分波器を用いて所望の波長の光を正確に合分波することができない。
【００１５】
そこで、従来は、温度調節用のペルチェ素子等を設けてアレイ導波路回折格子型光合分波器を一定温度に保つことにより、上記外部環境温度の変動に伴う光透過波長の変動を抑制している。しかし、この種のアレイ導波路回折格子型光合分波器においては、ペルチェ素子とその温度制御のための回路を設けるために、アレイ導波路回折格子型光合分波器のコストが増大し、しかも、温度制御のための電力が必要であるといった問題がある。
【００１６】
そのため、外部環境温度に依存することなく、安定にアレイ導波路回折格子型光合分波器によって所望の波長の光を合分波できるようにすることが望まれている。
【００１７】
また、アレイ導波路回折格子型光合分波器を用いて光波長多重通信を行なうに際し、この通信を高品質に行なうためには、隣接する通過波長に対するクロストーク（以下、隣接クロストークと呼ぶ）の抑制効果を向上させることも大きな課題となっている。
【００１８】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、外部環境温度に依存することなく、安定に所望の波長の光を合分波でき、アレイ導波路回折格子型光合分波器の隣接クロストークを向上させて高品質の光波長多重通信を実現するアレイ導波路回折格子型光合分波器を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、本発明は、１本以上の並設された光入力導波路と、前記光入力導波路の出射側に接続された第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路の出射側に接続され、互いに設定量異なる長さの複数並設されたチャネル導波路から成るアレイ導波路と、前記アレイ導波路の出射側に接続された第２のスラブ導波路と、前記第２のスラブ導波路の出射側に複数並設接続された光出力導波路とを有し、予め定めた設計波長間隔の互いに異なる複数の波長をもった光から互いに異なる複数の波長の光を分波する光分波機能と、前記設計波長間隔で互いに異なる複数の波長の光を合波する光合波機能とを有し、少なくとも１本以上の光入力導波路と少なくとも１本以上の光出力導波路との少なくとも一方の光入（出）力導波路には、接続相手のスラブ導波路との間に略矩形状電界分布形成導波路が接続され、該略矩形状電界分布形成導波路は、光入（出）力導波路側から対応するスラブ導波路側に向かう光の電界振幅分布をガウシアン形状から略矩形形状に変化させる導波路であり、前記略矩形状電界分布形成導波路は接続相手の対応するスラブ導波路側に向かうにつれて拡幅する台形状導波路で構成され、この台形状導波路の狭幅端には該狭幅端の幅と同じ幅の等幅直線導波路の一端が接続され、その等幅直線導波路の他端には該等幅直線導波路の幅よりも狭幅の光入（出）力導波路が直接接続されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２０】
本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、例えば入力導波路側からスラブ導波路側に向かう光の電界振幅分布をガウシアン形状から略矩形形状に変化させるものであるため、第１のスラブ導波路の入射面において、光入力導波路側から第１のスラブ導波路に入射する光の電界振幅分布を略矩形形状にできる。
【００２１】
それにより、アレイ導波路回折格子型光合分波器の透過スペクトルを例えば図２の（ｂ）に示すように、平坦化領域の幅を広くし、しかも、スペクトルの裾野部分の立ち上がりを良好に（急峻に）することが可能となる。
【００２２】
そして、このようにすることで、中心波長平坦性を向上させるとともに、隣接クロストークをさらに抑制でき、外部環境温度変化によって光透過中心波長が多少ずれても、アレイ導波路回折格子型光合分波器を支障なく機能することが可能となる。
【００２３】
なお、本明細書において、略矩形形状とは、例えば図２の（ａ）に示すように、山の裾野部分（同図に示すＡの部分）の立ち上がりが良好で（裾野部分がなだらかでなく）、山の頂上領域（同図に示す領域Ｂ）が比較的平坦な形状（例えば図５のｂ’に示すような落ち込み部を有して多少凹凸が形成されているものも含む）を表現したものである。
【００２４】
また、前記略矩形状電界分布形成導波路を、対応する光入力導波路または光出力導波路の幅よりも広幅で、かつ、対応するスラブ導波路側に向かうにつれて拡幅する台形状導波路により形成したり、台形状導波路の狭幅端側に該狭幅端と等幅の等幅直線導波路部を設けたりすると、上記のように、入力導波路側又は出力導波路側から対応するスラブ導波路側に向かう光の電界振幅分布をガウシアン形状から略矩形形状に変化させることが可能となる。
【００２５】
なお、これらの詳細は、本願と同じ柏原、奈良を発明者とした日本国特許出願（出願番号：特願平１１−３７０６０２号、出願日平成１１年１２月２７日、出願番号：特願２０００−５８６４６、出願日２０００年３月３日、特願２０００−１０２４７３、出願日２０００年４月４日、特願２０００−２８５４４８、出願日２０００年９月２０日）に記述されている。
【００２６】
また、上記日本国特許出願における検討により、光入力導波路側又は光出力導波路側から対応するスラブ導波路に入射する光の電界振幅分布を、略矩形形状にすることにより、前記の如く透過スペクトルの平坦性が向上して１ｄＢ帯域幅が広くなり、隣接クロストークが小さいアレイ導波路回折格子型光合分波器を提供することが可能になることも確認されている。
【００２７】
したがって、本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、従来の一般的なアレイ導波路回折格子型光合分波器に比べ、透過スペクトルの１ｄＢ帯域幅が広く、隣接クロストークが低いアレイ導波路回折格子型光合分波器とすることが可能となった。
【００２８】
すなわち、本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は以上のことにより、安定した小さい隣接クロストークに抑制できる効果に加え、外部環境温度に依存することなく、所望の波長の光を安定に合分波できる効果が得られるものであり、隣接クロストークが安定化し、かつ、外部環境温度に依存することなく、さらに安定に所望の光を合分波できることになる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の一例のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、例えば光入力導波路から入力される予め定めた設計波長間隔の互いに異なる複数の波長をもった光から該互いに異なる複数の波長（例えばλ１、λ２、λ３、・・・λｎ）の光を分波して各光出力導波路から出力する光分波機能を有している。
【００３０】
従来のアレイ導波路回折格子型光合分波器の光透過波長特性は例えば図８の（ｃ）に示すものであり、予め定めた設計波長間隔の互いに異なる複数の波長（例えばλ１、λ３、・・・）の光を入力して、予め定めた設計波長間隔の互いに異なる複数の波長（λ１、λ３、・・・）の光を分波して各光出力導波路から出力する。このアレイ導波路回折格子型光合分波器の光透過波長特性は、各光透過中心波長を中心としたスペクトル幅の重なりが多く、低隣接クロストーク化が困難である。
【００３１】
一方、本発明の一例においては、例えば、図８の（ａ）に示す光透過波長特性を有するアレイ導波路回折格子型光合分波器（設計波長間隔がλ１、λ２、λ３、・・・）に、前記設計波長間隔の概略整数倍の波長間隔で互いに異なる複数の波長（例えばλ１、λ３、・・・）をもった波長多重光を入射して、この光を波長が前記波長間隔の整数倍の波長間隔で異なる複数の光に分波するものであり、このときの光透過波長特性は図８の（ｂ）に示すようになる。
【００３２】
つまり、各光透過中心波長を中心としたスペクトルの重なりが少なく、図８の（ｃ）に示した光透過波長特性を有するアレイ導波路回折格子型光合分波器に同じ波長多重光（λ１、λ３、・・・）を入射して分波（λ１、λ３、・・・）を行なう場合に比べ、本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、低隣接クロストーク化が容易である。
【００３３】
すなわち、本発明は、例えば１００ＧＨｚ間隔の光合分波機能を有するアレイ導波路回折格子型光合分波器を設計し、例えば２００ＧＨｚ間隔の互いに異なる複数の波長の多重光を入射し、２００ＧＨｚ間隔の互いに異なる複数の波長の光を分波させる。１００ＧＨｚ間隔の互いに異なる複数の光を分波できる光出力導波路を配置し、２００ＧＨｚ間隔の互いに異なる波長の複数の光を分波できる光出力導波路を使用するように、または、それらの位置に光出力導波路を配置するように設計する。
【００３４】
そうすると、隣接する波長（つまり、隣接する波長に対して±０．２ｎｍ）でのクロストークをバックグランドクロストーク（中心波長に対して±１．６ｎｍ以遠で±１／２・ＦＳＲ以内の各波長でのクロストーク）の範囲内とし、安定した隣接クロストークとなる。なお、ＦＳＲはＦｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ（自由スペクトル領域）のことである。
【００３５】
さらに、前記の如く、アレイ導波路回折格子型光合分波器は、外部環境温度の変化に対して光の透過波長（上記分波または合波される波長）が変化する。そのため、一般には、温度制御等を行なわない限り上記光透過波長の中心波長ずれ（光透過中心波長のずれ）による特性劣化（急激な損失変化、隣接クロストークの劣化）を抑制することが困難であり、上記設計を用いても、この特性劣化を抑制することが困難である。
【００３６】
そこで、上記設計に加えて、アレイ導波路回折格子型光合分波器の透過スペクトルを、光透過中心波長の長波長側と短波長側両方に、帯域幅が前記温度の変化による中心波長ずれを吸収できるくらい広い平坦化領域を有するものにすれば、その中心波長ずれによる特性劣化の抑制が可能になる。そのようにすれば、外部環境温度の変化により光透過中心波長が多少ずれても、帯域幅の広い平坦化領域内でのずれになるので、アレイ導波路回折格子型光合分波器を外部環境温度変化に対して問題なく機能することが可能となる。
【００３７】
以下、詳細に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態例の説明において、図７の（ａ）、（ｂ）に示した従来例と共通名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略又は簡略化する。図１の（ａ）には、本発明に係るアレイ導波路回折格子型光合分波器の第１実施形態例の構成が、模式的に示されており、図１の（ｂ）には、図１の（ａ）に示す破線領域Ａ内の拡大図が示されている。
【００３８】
図１の（ａ）に示した第１実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、図７の（ａ）に示したアレイ導波路回折格子型光合分波器とほぼ同様に構成されているが、この第１実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器が従来例と異なる第１の点は、図１の（ｂ）に示すように、各光入力導波路１２の出射側に、光入力導波路１２の幅よりも広幅で、かつ、対応する（接続相手の）スラブ導波路（第１のスラブ導波路１３）側に向かうにつれて拡幅する台形状導波路５を接続したことである。
【００３９】
本実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器が従来例と異なる第２の点は、上記台形状導波路５の狭幅端に、該狭幅端と等幅の等幅直線導波路部２５を設けたことである。以下、台形状導波路５に前記の等幅直線導波路部２５を設けた導波路をスピーカー型導波路５０と呼ぶ。
【００４０】
本実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器が従来例と異なる第３の点は、上記スピーカー型導波路５０と光入力導波路１２との間に、光入力導波路１２の幅よりも狭幅の狭幅直線導波路１を接続したことである。
【００４１】
本実施形態例において、スピーカー型導波路５０は、各光入力導波路１２側から第１のスラブ導波路１３側に向かう光の電界振幅分布を、ガウシアン形状から略矩形形状に変化させる略矩形状電界分布形成導波路として機能するものであり、具体的には、以下のように構成されている。
【００４２】
すなわち、スピーカー型導波路５０は、前記各光入力導波路１２の幅（Ｗ１）よりも広幅で、かつ、第１のスラブ導波路１３側に向かうにつれて拡幅する台形状導波路５の狭幅端側（上底４側）に、狭幅端の幅（Ｗ３）と等幅の等幅直線導波路部２５を設けて形成されている。等幅直線導波路部２５の長さはＬ３である。また、台形状導波路５はテーパ角度θで拡幅しており、台形状導波路５の下底６は僅かに曲線状と成し、この下底６の幅はＷ４である。
【００４３】
また、各狭幅直線導波路１の幅方向の中心は、対応する等幅直線導波路部２５の入射端の幅方向の中心と位置合わせされている。前記各狭幅直線導波路１は、各狭幅直線導波路１に接続されている光入力導波路１２を伝搬してきた光信号のパワーの中心を狭幅直線導波路１の幅方向の中心に移動させて、該光信号パワー中心を等幅直線導波路部２５の入射端の幅方向の中心に入射させる光パワー中心位置調整手段と成している。狭幅直線導波路１の幅はＷ２であり、その長さはＬ２である。
【００４４】
本実施形態例において、上記パラメータは、以下のように設定されている。すなわち、光入力導波路１２の幅Ｗ１＝６．５μｍ、狭幅直線導波路１の幅Ｗ２＝３．０μｍ、狭幅直線導波路１の長さＬ２＝５００μｍ、等幅直線導波路部２５の幅（スピーカー型導波路５０の狭幅端幅）Ｗ３＝２４．５μｍ、等幅直線導波路部２５の長さＬ３＝２５０μｍ、テーパ角度θ＝０．４°、台形状導波路５の下底６の幅（スピーカー型導波路５０の拡幅端幅）Ｗ４＝３７．９μｍである。また、各導波路を形成するコアの高さは６．５μｍ、各導波路のクラッドに対するコアの比屈折率差Δは０．８％である。
【００４５】
本実施形態例は以上のような導波路構成を有しており、本実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、光分波機能と、光合波機能を持つ。
【００４６】
光分波機能は、前記光入力導波路１２から入力される互いに異なる複数の波長をもった光から、予め定めた設計波長間隔としての１００ＧＨｚ間隔（約０．８ｎｍ）の互いに異なる複数の波長の光を分波して各光出力導波路１６から出力する機能である。光合波機能は、前記各光出力導波路１６から入力される互いに波長が前記設計波長間隔で異なる複数の光を合波して前記光入力導波路１２から出力する機能である。
【００４７】
さらに、本実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器が従来例と異なる第４の点は、第１実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、前記設計波長間隔の整数倍である２倍の波長間隔（２００ＧＨｚ；約１．６ｎｍ）で互いに異なる複数の波長をもった光を入射して該光を前記設計波長間隔の倍の波長間隔（２００ＧＨｚ）で互いに波長が異なる複数の光に分波して出力する設計を行う。または、アレイ導波路回折格子型光合分波器に、前記設計波長間隔の２倍の波長間隔で互いに波長が異なる光をそれぞれの導波路から入射し、各波長の複数の光を合波して出力する設計を行うことである。
【００４８】
なお、第１実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器の構成および設計を決定するにあたり、以下の検討を行なった。すなわち、例えば、本実施形態例のように、１００ＧＨｚ間隔の光合分波機能を有するアレイ導波路回折格子型光合分波器を設計し、２００ＧＨｚ間隔の互いに異なる複数の波長の多重光を入射し、２００ＧＨｚ間隔の互いに異なる複数の波長の光を分波させることによって、隣接する波長（つまり、隣接する波長に対して±０．２ｎｍ）でのクロストークがバックグランドクロストーク（中心波長に対して±１．６ｎｍ以遠で±１／２・ＦＳＲ以内の各波長でのクロストーク）の範囲に設定でき、安定した隣接クロストークを得ることができると考えた。
【００４９】
また、外部環境温度変化によって光透過中心波長が多少ずれても、アレイ導波路回折格子型光合分波器を問題なく機能させて高品質の光波長多重通信を実現するために、アレイ導波路回折格子型光合分波器の透過スペクトルにおける中心波長平坦性を向上させることが必要であり、そのためには、１ｄＢ帯域幅を前記温度の変化による中心波長ずれを吸収できるくらい広くすることが必要となる。
【００５０】
さらに、隣接クロストークの抑制向上を考えた場合、アレイ導波路回折格子型光合分波器の透過スペクトル波形における裾野部分の立ち上がりを良好にする（急峻にする）ことも必要となる。
【００５１】
そこで、前記した日本国特許出願（出願番号：特願平１１−３７０６０２号、特願２０００−１０２４７３、特願２０００−２８５４４８）の記載から明らかなように、上記構成のスピーカー型導波路５０を光入力導波路１２の出射側に設けることにより、第１のスラブ導波路１３側に向かう光の電界振幅分布をガウシアン形状から略矩形形状に変化させ、それにより、１ｄＢ帯域幅が広く、アレイ導波路回折格子型光合分波器の光透過中心波長をもつ透過スペクトル波形における裾野部分の立ち上がりを良好にした。そしてこのようにアレイ導波路回折格子型光合分波器を構成した上で、前記本発明の設計を適用するようにした。
【００５２】
具体的には、第１実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、以下のようにして設計されている。すなわち、使用環境温度内でアレイ導波路回折格子型光合分波器の光透過中心波長を、例えば、設定波長としてのＩＴＵグリッド波長とほぼ一致させるようにした。そのために、まず、アレイ導波路回折格子型光合分波器の使用環境温度（０℃〜７０℃）の中心温度である３５℃で光透過中心波長がＩＴＵグリッド波長と一致するように設計した。
【００５３】
また、アレイ導波路回折格子型光合分波器の光透過中心波長の温度依存性（０．０１１ｎｍ／℃）を考慮すると、０℃〜７０℃における光透過中心波長のシフト量が０．７７ｎｍであり、この温度依存性による中心波長変化分よりも、光透過中心波長の通過帯域幅が広ければよいことになる。そこで、光波長多重通信システム側から要求されている１ｄＢ帯域幅が０．３ｎｍ程度であることから、前記光透過中心波長のシフト量である０．７７ｎｍに０．３ｎｍを加算すると、約１．１ｎｍとなるので、１ｄＢ帯域幅が約１．１ｎｍ以上となるようにアレイ導波路回折格子型光合分波器を設計した。
【００５４】
さらに、隣接クロストークは、通常、２００ＧＨｚ間隔の合分波の場合、中心波長に対して、分波する波長間隔（この実施形態例の場合、１．６ｎｍ）±０．２ｎｍの隣接波長範囲における最悪クロストークを示す。そこで、光透過中心波長の温度依存性（光透過中心波長のシフト量）を考慮すると、０．７７ｎｍ／２＝０．３８５ｎｍをさらに加えて、１．６ｎｍ±０．６ｎｍの波長範囲内における最悪クロストークが、光波長多重通信システム側から要求されている隣接クロストークの値−２６ｄＢ以下となるようにアレイ導波路回折格子型光合分波器を設計した。
【００５５】
その結果、本実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、前記導波路構成を有し、各パラメータを前記の如く形成したものとなり、例えば図２の（ｂ）に示すように、１ｄＢ帯域幅が１．１４ｎｍ、リップルが０．２ｄＢ、隣接クロストーク（この場合、光透過中心波長に対して１．６ｎｍ±０．６ｎｍの波長範囲内における最悪クロストークを求めたもの）が−２７ｄＢの特性を有するアレイ導波路回折格子型光合分波器となった。
【００５６】
本実施形態例によれば、アレイ導波路回折格子型光合分波器によって光合分波する波長間隔を１００ＧＨｚに設計しておいて、入力する光の波長間隔を２００ＧＨｚにし、かつ、各光入力導波路１２の出射側にスピーカー型導波路５０を設けることにより、アレイ導波路回折格子型光合分波器の透過スペクトルの平坦性を向上させ、アレイ導波路回折格子型光合分波器の外部環境温度によって光透過中心波長が多少ずれても、十分なアイソレーションがとれるようにした。
【００５７】
その結果、本実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、外部環境温度に依存することなく、安定にＩＴＵグリッド波長の光を合分波でき、アレイ導波路回折格子型光合分波器の隣接クロストークの抑制効果を向上させて、高品質の光波長多重通信を確実に可能とすることができる。
【００５８】
次に、本発明に係るアレイ導波路回折格子型光合分波器の第２実施形態例について説明する。なお、第２実施形態例の説明において、上記第１実施形態例との重複説明は省略する。
【００５９】
図３には、第２実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器における光入力導波路１２の出射側と第１のスラブ導波路１３との接続構造が示されている。第１実施形態例と第２実施形態例はその接続構造が異なり、それ以外の構成については、第２実施形態例は上記第１実施形態例とほぼ同様である。
【００６０】
第２実施形態例が上記第１実施形態例と異なることは、第１実施形態例に設けられている直線導波路１とスピーカー型導波路５０における等幅直線導波路部２５を省略し、光入力導波路１２の出射側に台形状導波路５を略矩形状電界分布形成導波路として直接接続したことである。
【００６１】
第２実施形態例では、光入力導波路１２を伝搬する光強度の中心位置が光入力導波路１２の幅方向中心位置からずれないように設計している。したがって、上記第１実施形態例に設けた直線導波路１を省略しても、光入力導波路１２を伝搬する光強度の中心位置が台形状導波路５の狭幅端（上底４）の幅方向中心位置に入射される。
【００６２】
また、スピーカー型導波路５０と台形状導波路５の機能はほぼ同様であり、したがって、台形状導波路５によって光電界振幅分布を適切に変化させることができる。そのため、第２実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器は上記第１実施形態例と同様に、光透過中心波長の平坦性を良好にできるものである。
【００６３】
すなわち、第２実施形態例において、図４に示すように、光入力導波路１２を通る光は、その電界振幅形状がガウシアン形状である。そして、その光強度中心は台形状導波路５に入射し、光は、光電界振幅分布を台形状導波路５内で変化させながら進行して行く。その際、光電界振幅分布の裾野部分が光の進行に伴って切り落とされて全体として分布幅を広げながら略矩形形状となるように進行していく。そして、台形状導波路５の出射端（下底６）では図５に示す形状になり、上記第１実施形態例と同様に、光透過中心波長の平坦性を良好にできる。
【００６４】
第２実施形態例において、アレイ導波路回折格子型光合分波器の導波路構成を形成する各パラメータは、以下に示すものである。すなわち、光入力導波路１２の幅Ｗ１＝６．５μｍ、台形状導波路５の狭幅端幅Ｗ３＝２２．５μｍ、テーパ角度θ＝０．３°、台形状導波路５の下底６の幅Ｗ４＝６１．５μｍである。また、各導波路を形成するコアの高さおよび比屈折率差は上記第１実施形態例と同一値である。
【００６５】
第２実施形態例においても、上記第１実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器を設計するときとほぼ同様にして設計した。
【００６６】
その結果、第２実施形態例においても上記第１実施形態例と同様の作用により、ほぼ同様の効果を奏することができた。
【００６７】
上記のように構成した第２実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器を５個作製し（サンプル１〜５）、波長１．５５μｍ帯において２００ＧＨｚの波長間隔を有する互いに異なる波長の光をもった波長多重光を光入力導波路１２から入射して、アレイ導波路回折格子型光合分波器から出射される光の１ｄＢ帯域幅と隣接クロストーク特性を評価したところ、表１に示す結果が得られた。なお、表１に示す隣接クロストークは、中心波長に対して１．６±０．６ｎｍの隣接波長範囲における最悪クロストークとして測定した結果を示す。
【００６８】
【表１】
その結果、第２実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、１．５５μｍ帯において２００ＧＨｚの波長間隔の光合分波機能を有するアレイ導波路回折格子型光合分波器に対し、１ｄＢ帯域幅が同等で、隣接クロストークは格段に良好、かつ、安定であることが確認できた。
【００７０】
なお、本発明は上記各実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば上記実施形態例では、全部の各光入力導波路１２の出射側にスピーカー型導波路５０または台形状導波路５を設けたが、少なくとも１本以上の光入力導波路１２の出射側にスピーカー型導波路５０や台形状導波路５を設けてもよい。
【００７１】
また、本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、少なくとも１本以上の出力導波路１６の入射側に第２のスラブ導波路１５側に向かうにつれて拡幅する台形状導波路や該台形状導波路を有するスピーカー型導波路を接続して形成してもよい。また、本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、少なくとも１本以上の光入力導波路１２の出射側と少なくとも１本以上の光出力導波路１６の入射側の両方に台形状導波路やスピーカー型導波路を設けて形成してもよい。
【００７２】
なお、本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器において、光出力導波路１６側に台形状導波路やスピーカー型導波路を設ける場合は、台形状導波路やスピーカー型導波路の幅を光出力導波路１６の幅よりも広幅とする。
【００７３】
また、上記第１実施形態例では、スピーカー型導波路５０と光入力導波路１２の間に狭幅直線導波路１を介設したが、図６の（ａ）に示すように、光入力導波路１２の出射側や光出力導波路１６の入射側にスピーカー型導波路５０を直接接続してもよい。
【００７４】
さらに、上記第２実施形態例では、光入力導波路１２の出射側に台形状導波路５を直接接続したが、図６の（ｂ）に示すように、光入力導波路１２と台形状導波路５の間に狭幅直線導波路１を介設してもよいし、光出力導波路１６の入射側に台形状導波路５を設ける場合にも、光出力導波路１６と台形状導波路５との間に狭幅直線導波路１を介設してもよい。
【００７５】
さらに、上記のアレイ導波路回折格子型光合分波器において、台形状導波路の幅や長さやテーパ角度、狭幅直線状導波路の長さや幅、スピーカー型導波路５０における等幅直線導波路部の幅や長さ等は特に限定されるものではなく適宜設定されるものである。例えば図４に示したような光電界振幅分布のシミュレーション結果に基づいて、アレイ導波路回折格子型光合分波器の仕様に合わせて上記各値を設定することにより、上記各実施形態例のような優れた効果を奏するアレイ導波路回折格子型光合分波器とすることができる。
【００７６】
さらに、上記各実施形態例では、光入力導波路１２から入射される波長多重光を、予め定めた設計波長間隔の互いに異なる複数の波長の光に分波して各光出力導波路１６から出力できるように、設計波長間隔の互いに異なる複数の波長の光を取り出せる位置に各光出力導波路１６を形成したが、前記設計波長間隔の概略整数倍の間隔の光のみを取り出せる位置に（例えば上記実施形態例のように設計波長間隔の２倍の波長間隔の光を出力する場合には、１本おきに）光出力導波路１６を形成してもよい。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば、少なくとも１本以上の光入力導波路と少なくとも１本以上の出力導波路との少なくとも一方に、接続相手のスラブ導波路との間に略矩形状電界分布形成導波路を接続することにより、アレイ導波路回折格子型光合分波器の光透過中心波長の平坦性を前記温度変化による中心波長ずれを吸収できるくらい向上させ、さらに、隣接クロストークを抑制できる。
【００７８】
そのため、本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、外部環境温度変化によって光透過中心波長が多少ずれても、アレイ導波路回折格子型光合分波器を問題なく機能させることができ、高品質の光波長多重通信の実現を図ることができる。
【００７９】
また、本発明において、略矩形状電界分布形成導波路を、対応する光入力導波路または光出力導波路の幅よりも広幅で、かつ、対応するスラブ導波路側に向かうにつれて拡幅する台形状導波路により形成し、台形状導波路の狭幅端側に該狭幅端と等幅の等幅直線導波路部を設けることにより、入力導波路側又は出力導波路側から対応するスラブ導波路側に向かう光の電界振幅分布をガウシアン形状から略矩形形状に変化させることができ、上記効果を確実に奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係るアレイ導波路回折格子型光合分波器の第１実施形態例を示す構成図であり、（ｂ）は、図１の（ａ）の領域Ａ部分の拡大説明図である。
【図２】（ａ）は第１実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器におけるスピーカー型導波路の出力端の光電界振幅分布を示すグラフであり、（ｂ）は第１実施形態例のアレイ導波路回折格子型光合分波器の光透過特性を示すグラフである。
【図３】本発明に係るアレイ導波路回折格子型光合分波器の第２実施形態例における光入力導波路の出射端部を示す構成図である。
【図４】第２実施形態例における、光入力導波路と台形状導波路を伝搬する光電界振幅分布を、立体的に示すシミュレーション結果の説明図である。
【図５】第２実施形態例における台形状導波路の出力端における光電界振幅分布を示すグラフである。
【図６】本発明に係るアレイ導波路回折格子型光合分波器の他の実施形態例における光入力導波路と第１のスラブ導波路との接続部構造例を示す説明図である。
【図７】（ａ）は、従来のアレイ導波路回折格子型光合分波器の構成を示す説明図であり、（ｂ）は、（ａ）の領域Ａ部分を拡大して示す説明図である。
【図８】アレイ導波路回折格子型光合分波器の各波長光の光透過特性例をそれぞれ比較状態で示すグラフである。
【符号の説明】
１ 狭幅直線導波路
３ 斜辺
５ 台形状導波路
１１ 基板
１２ 光入力導波路
１３ 第１のスラブ導波路
１４ アレイ導波路
１５ 第２のスラブ導波路
１６ 光出力導波路
２５ 等幅直線導波路部
５０ スピーカー型導波路
Claims (1)
- １本以上の並設された光入力導波路と、前記光入力導波路の出射側に接続された第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路の出射側に接続され、互いに設定量異なる長さの複数並設されたチャネル導波路から成るアレイ導波路と、前記アレイ導波路の出射側に接続された第２のスラブ導波路と、前記第２のスラブ導波路の出射側に複数並設接続された光出力導波路とを有し、予め定めた設計波長間隔の互いに異なる複数の波長をもった光から互いに異なる複数の波長の光を分波する光分波機能と、前記設計波長間隔で互いに異なる複数の波長の光を合波する光合波機能とを有し、少なくとも１本以上の光入力導波路と少なくとも１本以上の光出力導波路との少なくとも一方の光入（出）力導波路には、接続相手のスラブ導波路との間に略矩形状電界分布形成導波路が接続され、該略矩形状電界分布形成導波路は、光入（出）力導波路側から対応するスラブ導波路側に向かう光の電界振幅分布をガウシアン形状から略矩形形状に変化させる導波路であり、前記略矩形状電界分布形成導波路は接続相手の対応するスラブ導波路側に向かうにつれて拡幅する台形状導波路で構成され、この台形状導波路の狭幅端には該狭幅端の幅と同じ幅の等幅直線導波路の一端が接続され、その等幅直線導波路の他端には該等幅直線導波路の幅よりも狭幅の光入（出）力導波路が直接接続されていることを特徴とするアレイ導波路回折格子型光合分波器。
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