JP3643058B2 - 導波路形回折格子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れた分解能および高い回折効率を有する導波路形回折格子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、波長分割多重伝送システムにおいて、多重度を増やし伝送量を増大させようという試みがなされている。このような伝送システムにおいては、異なる波長の合分波を行うことが重要であり、これは特許公報第２５９９７８６号に述べられているＡＷＧ（Ａｒｒｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）と言われるデバイスによって実現されている。当該特許に依れば、２つの二次元導波路を結合する複数の三次元導波路の長さを変えることによって、三次元導波路を伝搬した後の光の位相を各三次元導波路で異なるようにし、波長依存性角度分散を有することを特徴としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、同特許の方法においては三次元導波路の長さを変えることを特徴としているために、どうしても三次元導波路が馬蹄形状に配置することを避けられず、デバイスの大型化を招いていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の導波路形回折格子は、２つの二次元導波路を結合する複数の三次元導波路の長さを互いに変えることなく、三次元導波路の光路上に位相制御素子を配置させることによって三次元導波路を伝搬させた後の光に所望の位相差を生じさせ、波長依存性角度分散を有することを特徴とする。
より具体的には、本発明は次の形態の導波路形回折格子を提供する。
（１）入力端を有する複数の第１の二次元導波路と、出力端を有する複数の第２の二次元導波路と、前記第１の二次元導波路と第２の二次元導波路を接続する複数の三次元導波路からなり、前記三次元導波路を伝搬した後の光の位相が各三次元導波路間で異なることにより波長依存性角度分散を有する導波路形回折格子において、前記三次元導波路が、前記第１の二次元導波路との接続端及び前記第２の二次元導波路との接続端の間でほぼ平行な直線状に配置され、且つ前記三次元導波路の光路上に、前記三次元導波路の出射部において各三次元導波路間に任意の位相差を生じさせる位相制御素子が、前記三次元導波路上に複数配置されており、前記位相制御素子の屈折率が三次元導波路の実効屈折率に対して大きいものと小さいものからなり且つ前記屈折率が大きいものは光路方向の厚さが光路を横切る方向に関して前記屈折率が小さいものとは逆向きに変化するように配置されていることを特徴とする。
ここに前記各位相制御素子はくさび形または階段形状である。
（２）本発明のさらに別の形態では、上記の複数の位相制御素子が、前記三次元導波路の一部を取り去り、そこに三次元導波路の屈折率とは異なった屈折率を持つ樹脂を埋め込むことによって形成されていることを特徴とする。
【０００５】
【作用】
本発明の導波路形回折格子は、三次元導波路の光路上に位相制御素子を配置させることによって三次元導波路を伝搬させた後の光に所望の位相差を生じさせることにより、複数の三次元導波路の長さを互いに変える必要がないため、三次元導波路の配置を馬蹄形状にする必要がなく、直線形状で良いためデバイスの小型化を実現する。特に、光波の伝搬方向に垂直な方向であるデバイスの幅を大幅に縮小することが可能となる。ここに直線形状とは三次元導波路と第１及び第２の二次元導波路への接続端で必要なことがある小さい湾曲部を除いてほぼ直線形状であることを意味する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を説明するに先立ち、本発明と従来技術との差異を明確にするために、まず図１を用いて特許第２５９９７８６号に記載された従来技術について説明する。
【０００７】
図１において、導波路基板１上に入力用三次元導波路２、第１の二次元導波路３、三次元導波路４、第２の二次元導波路５、出力用三次元導波路６が配置されている。第１の二次元導波路３および第２の二次元導波路５において、入力用三次元導波路２と出力用三次元導波路６はそれぞれ第１の二次元導波路３および第２の二次元導波路５のローランド円７上に端部がくるように配置され、三次元導波路４は第１の二次元導波路３および第２の二次元導波路５のそれぞれのローランド円７の直径を半径とする円上に端部がくるように配置されている。このため第１の二次元導波路３および第２の二次元導波路５はそれぞれコリメートレンズ、集光用レンズとして作用するよう設計されている。第１の二次元導波路３と第２の二次元導波路５を接続する複数の三次元導波路４の行路長は、隣接するものと△Ｌだけ異なるように設計してある。
光波が同位相で三次元導波路４に入射した場合、三次元導波路４を伝搬した後に第２の二次元導波路内で生じさせる回折光の回折角βは次式で与えられる。
ａ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）ｎｓ＋△Ｌｎｅ＝ｍλ…（１）
【０００８】
ここで、ａは第２の二次元導波路に結合する部分における複数の三次元導波路の間隔、αは入射角、ｎｓは二次元導波路の屈折率である。ｎｅは三次元導波路の実効屈折率、ｍは回折次数、λは真空中での波長である。（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）＝０なる中心波長λ₀においては次式が成立する。
ｍ₀＝△Ｌｎｅ／λ₀…（２）
従って、分解可能最小波長間隔△λは、導波路数をＮとして次式で与えられる。
△λ＝λ₀／Ｎｍ₀＝λ₀ ²／ｎｅＮ△Ｌ…（３）
【０００９】
このような構成において、異なる入力用三次元導波路２から入射した異なる光の混合光は第１の二次元導波路３によって平行光に変換され複数の三次元導波路４に導かれる。三次元導波路４を伝搬した後の混合光は第２の二次元導波路５内を伝搬する際、それぞれ前述した（１）式を満足する方向に回折し、第２の二次元導波路５によって収束され異なる位置に焦点を結ぶ。出力用三次元導波路の一端はあらかじめ各波長の光が収束する位置に配置されており、異なる波長の光はそれぞれ異なる出力用三次元導波路６内を伝搬し基板端に到達する。
【００１０】
参考例１
図２を用いて参考例について述べる。
図２において、導波路基板１上に入力用三次元導波路２、第１の二次元導波路３、三次元導波路４、第２の二次元導波路５、出力用三次元導波路６、そして三次元導波路４の光路上には位相制御素子８が配置されている。第１の二次元導波路３および第２の二次元導波路５において、入力用三次元導波路２と出力用三次元導波路６はそれぞれ第１の二次元導波路３および第２の二次元導波路５のローランド円７上に端部がくるように配置され、三次元導波路４は第１の二次元導波路３および第２の二次元導波路５のそれぞれのローランド円７の直径を半径とする円上に端部がくるように配置されている。このため第１の二次元導波路３および第２の二次元導波路５はそれぞれコリメートレンズ、集光用レンズとして作用するよう設計されている。この参考例では三次元導波路４が、第１の二次元導波路３との接続端及び第２の二次元導波路５との接続端の間でほぼ平行な直線形状となるように配置され、三次元導波路４の光路上に位相制御素子８が配置されていることを特徴としている。位相制御素子８は、光波の伝搬方向に対してＤの厚さを持ち、且つ、屈折率傾斜を持つものである。また、複数の三次元導波路を伝搬する隣接した光波が、位相制御素子の互いに△ｎだけ異なった屈折率の部分を通過するように、位相制御素子が配置されている。
【００１１】
このため、光波が同位相で三次元導波路４に入射した場合、三次元導波路４を伝搬した後に第２の二次元導波路内で生じさせる回折光の回折角βは次式で与えられる。
ａ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）ｎｓ＋ｎｅ△Ｚ＋Ｄ△ｎ＝ｍλ…（４）
ここで、ａは第２の二次元導波路に結合する部分における複数の三次元導波路の間隔、αは入射角、ｍは回折次数、λは真空中での波長、△Ｚは第１および第２の二次元導波路をコリメート系にしたために生じる三次元導波路の長さの変化である。（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）＝０なる中心波長λ₀においては次式が成立する。
ｍ₀＝（ｎｅ△Ｚ＋Ｄ△ｎ）／λ₀…（５）
【００１２】
従って、分解可能最小波長間隔△λは、導波路数をＮとして次式で与えられる。
△λ＝λ₀／Ｎｍ₀＝λ₀ ²／Ｎ（ｎｅ△Ｚ＋Ｄ△ｎ）…（６）
従来技術では△Ｌを確保するために基板サイズが数センチ角サイズに及ぶのに対し、△ｎによって位相差を確保するために基板サイズ、特に、光波の伝搬方向に垂直な方向であるデバイスの幅を確保することなく、従来技術と同様な特性を得ることが出来る。
なおコリメータレンズとして作用するローランド円の形に配列した複数の第１の二次元導波路３及び複数の第２の二次元導波路５への接続点では、三次元導波路４はローランド円７の直径を半径とする円上に直角に接続する必要があるので、その部分では三次元導波路は直線形でない。従って、三次元導波路がほぼ直線形に配置されるとは、これらの部分を除いた部分のことを指す。以下に述べる他の例でも同様である。また、この原理を使用しないで別にコリメータレンズを使用する場合には三次元導波路４は全体的にほぼ平行且つ直線形に配置できることはもちろんである。
【００１３】
参考例２
図３に第２の参考例を示す。この例は参考例１の改良形である。
位相制御素子を三次元導波路の光路上に配置する場合、素子の厚さが厚い場合光波が再び三次元導波路に結合できず、デバイスの透過特性劣化の原因となる。この参考例では三次元導波路４の出射端での位相を制御すればよいため、薄い位相制御素子８を複数個（この例では５個）配置することにより、損失特性の劣化を引き起こすことなく、位相制御が可能となる。
【００１４】
参考例３
図４に第３の参考例を示す。
この例においては、位相制御素子８が屈折率傾斜を持たず、厚さが変化したくさび形状をなしていることを特徴としている。このようなくさび形状の位相制御素子を用いた場合、第２の二次元導波路内での回折光の回折角βは次式を満たす。
ａ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）＋ｎｅ△Ｚ＋ｎ△Ｄ＝ｍλ…（７）
ここで、△Ｄは隣接した三次元導波路が通過する位相制御素子の部分の厚さの差である。前記と同様に、（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）＝０なる中心波長λ₀においては次式が成立する。
ｍ₀＝（ｎｅ△Ｚ＋ｎ△Ｄ）／λ₀…（５）
【００１５】
従って、分解可能最小波長間隔△λは、導波路数をＮとして次式で与えられる。
△λ＝λ₀／Ｎｍ₀＝λ₀ ²／Ｎ（ｎｅ△Ｚ＋ｎ△Ｄ）…（６）
【００１６】
参考例４
図５は第４の参考例である。
この参考例は位相制御素子８の厚さが複数の三次元導波路の位置に対して階段状に変化していることを特徴としている。位相制御素子がこのような形状をしている場合でも式（５）を満たすことは自明である。この例の利点はくさび形に比べて三次元導波路への再結合が確実な点である。
【００１７】
実施例
図６は本発明の実施例である。
位相制御素子を三次元導波路上に複数配置しても効果が得られることは前述したが、同じ位相制御素子が同一の向きで配置されると位相制御素子の厚い部分を通る三次元導波路を伝搬する光だけが散乱の影響を受ける。この問題に対して、たとえば三次元導波路の実効屈折率よりも高い屈折率を持った位相制御素子８を配置した場合には、光路方向の厚さが光路を横切る方向に関して素子８とは逆の向きに変化する、前記三次元導波路の実効屈折率よりも低い屈折率を持った位相制御素子８’を配置することにより、それぞれの三次元導波路を伝搬する光の散乱を平坦化することが出来る。
【００１８】
前記位相制御素子は、三次元導波路の光路上に挿入することによって配置されるのみならず、光路上に形成された溝に屈折率制御された樹脂を埋め込むことによって形成することも可能である。このような構成にすることにより、位相制御素子の形成が非常に容易になり、デバイスの製造コストを抑えることが可能となる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の導波路型回折格子は、複数の三次元導波路の光路上に位相制御素子を配置させることによって、光の位相を各三次元導波路間で異ならせる構成であるから、従来技術に比べて基板の大きさによる制限が大幅に小さくなる。このため、従来、基板全体からのデバイスの取り数が数個であったのに対して、数十個となるため、デバイス単価の低減に寄与が大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術の導波路形回折格子の構成図である。
【図２】 第１の参考例による導波路形回折格子の構成図である。
【図３】 第２の参考例による導波路形回折格子の構成図である。
【図４】 第３の参考例による導波路形回折格子を示す構成図である。
【図５】 第４の参考例による導波路形回折格子を示す構成図である。
【図６】 本発明の実施例による導波路形回折格子を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 導波路基板
２ 入力用三次元導波路
３ 第１の二次元導波路
４ 三次元導波路
５ 第２の二次元導波路
６ 出力用三次元導波路
７ ローランド円
８、８’ 位相制御素子

Claims (3)

1. 入力端を有する複数の第１の二次元導波路と、出力端を有する複数の第２の二次元導波路と、前記第１の二次元導波路と第２の二次元導波路を接続する複数の三次元導波路からなり、前記三次元導波路を伝搬した後の光の位相が各三次元導波路間で異なることにより波長依存性角度分散を有する導波路形回折格子において、前記三次元導波路が、前記第１の二次元導波路との接続端及び前記第２の二次元導波路との接続端の間でほぼ平行な直線形状に配置され、且つ前記三次元導波路の光路上に、前記三次元導波路の出射部において各三次元導波路間に任意の位相差を生じさせる位相制御素子が、前記三次元導波路上に複数配置されており、前記位相制御素子の屈折率が、三次元導波路の実効屈折率に対して大きいものと小さいものからなり且つ前記屈折率が大きいものは光路方向の厚さが光路を横切る方向に関して前記屈折率が小さいものとは逆向きに変化するように配置されていることを特徴とする導波路形回折格子。
2. 前記各位相制御素子がくさび形または階段形状である請求項１に記載の導波路型回折格子。
3. 前記位相制御素子が、前記三次元導波路の一部を取り去り、そこに三次元導波路の屈折率とは異なった屈折率を持つ樹脂を埋め込むことによって形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の導波路形回折格子。

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