JP4184931B2 - 光波長合分波回路 - Google Patents

Description

本発明は、光波長合分波回路、詳しくはアレイ導波路回折格子型の光波長合分波回路に関するものであり、更に詳しくは透過波長の温度依存性が少ないアレイ導波路回折格子型の光波長合分波回路に関するものである。

シリコン基板上に形成した石英系ガラス導波路によって構成されたプレーナ光波回路（ＰＬＣ）の研究開発が盛んに行われている。かかるＰＬＣ技術を利用した、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）は、光波長合分波を実現する回路であり、光通信用の部品として重要な役割を果たしている。

ＡＷＧは合分波される光の透過波長に温度依存性を有する。これは、ＡＷＧを構成する石英系ガラス導波路の実効屈折率が温度依存性を有する故である。そのため通常のＡＷＧにおいては、波長透過特性を一定に保持するために、温度調節装置を付加する必要があった。

ＡＷＧに付加的に必要とされた温度調節装置を省略するため、ＡＷＧの透過波長の温度依存性を低減する方法が開発されている。この方法について詳しくは、国際公開特許ＷＯ９８／３６２９９号公報に記載されている。

透過波長の温度依存性を低減したＡＷＧは、温度無依存化ＡＷＧ、あるいはアサーマルＡＷＧと呼ばれる。アサーマルＡＷＧは、ＡＷＧのアレイ導波路あるいはスラブ導波路の一部クラッドおよびコアを除去した溝を形成し、その溝にアレイ導波路の実効屈折率の温度係数と異なる屈折率温度係数を有する材料（以下「温度補償材料」と称する）を挿入することによって、実現される。

図１９〜図２２にアレイ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧの回路構成を示す。

図１９はアサーマルＡＷＧの回路の概略構成を示す平面図である。図１９において、２１０１はシリコン基板、２１０２は入力導波路、２１０３は第１のスラブ導波路、２１０４はアレイ導波路、２１０５は第２のスラブ導波路、２１０６は出力導波路、２１０７は溝、２１０８は溝２１０７に充填されている温度補償材料である。

図２０は溝２１０７とその近傍を拡大して示す平面図であり、図２１は図２０中のＡＡ′線における断面図、図２２は図２０中のＢＢ′線における断面図である。

前記アサーマルＡＷＧの回路は、図２０に示すように、シリコン基板２１０１の上に、導波路コア２１０９、クラッド２１１０が設けられており、前記導波路コア２１０９、クラッド２１１０の一部を除去して形成された溝２１０７には温度補償材料２１０８が充填されている。

図２２中のｉ番目のアレイ導波路の長さＬｉは、Ｌｉ＝Ｌ１＋（ｉ−１）・△Ｌと表され、一定量（所定の長さ）△Ｌずつ順次長くなるよう設計されている。これに応じて、溝２１０７によって分断されるアレイ導波路の長さＬｉ′はＬｉ′＝Ｌ１′＋（ｉ−１）・△Ｌ′と表され、△Ｌに比例した量△Ｌ′ずつ順次長くなるような形状をしている。これらのＡＷＧの透過中心波長λ０は、λ０＝｛ｎ・（△Ｌ−△Ｌ′）＋ｎ′・△Ｌ′｝／Ｍで表される。

ここで、ｎはアレイ導波路の実効屈折率、ｎ′は温度補償材料の屈折率であり、ＭはＡＷＧの回折次数である。

前記アサーマルＡＷＧでは、△Ｌ′／（△Ｌ−△Ｌ′）＝−α／α′すなわち△Ｌ′＝△Ｌ／（１−α′／α）と設計されており、透過中心波長の温度依存性が補償されている。ここで、αはアレイ導波路の実効屈折率温度係数（α＝ｄｎ／ｄＴ）、α′は温度補償材料の屈折率温度係数（α′＝ｄｎ′／ｄＴ）である。

また、溝２１０７は分割されている場合もある。図２３は分割形状の場合のアサーマルＡＷＧの溝２１０７とその近傍を拡大して示す平面図であり、例として溝２１１１〜２１１４の４個の溝に分割された場合を示すものである。

この場合４個の各溝によって分断されるアレイ導波路の長さＬ（４）ｉ′は、Ｌ（４）ｉ′＝Ｌ（４）１′＋（ｉ−１）・△Ｌ′／４と表され、各溝が△Ｌ′／４ずつ順次長くなるような形状をしている。

図２４、図２５にスラブ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧの回路構成を示す。

図２４は回路の概略構成を示す平面図であり、２６０１はシリコン基板、２６０２は入力導波路、２６０３は第１のスラブ導波路、２６０４はアレイ導波路、２６０５は第２のスラブ導波路、２６０６は出力導波路、２６０７は溝、２６０８は溝２６０７に充填されている温度補償材料である。

図２５は前記溝とその近傍を拡大して示す平面図である。ここでは例として溝１０１１〜１０１４の４個の溝に分割された場合を示している。

図２４中のｉ番目のアレイ導波路の長さＬ_ｉは、Ｌ_ｉ＝Ｌｌ＋（ｉ−１）・△Ｌで表され、一定量（所定の長さ）△Ｌずつ順次長くなるよう設計されている。これに応じて、入力導波路とｉ番目のアレイ導波路を結ぶ線分が横切る４個の各溝の幅Ｌ（４）ｉ′は、Ｌ（４）ｉ′＝Ｌ（４）１′＋（ｉ−１）・△Ｌ′／４と表され、各溝が△Ｌ′／４ずつ順次長くなるような形状をしている。これらのＡＷＧの透過中心波長λ０は、λ０＝｛ｎ・△Ｌ−ｎｓ・△Ｌ′＋ｎ′・△Ｌ′｝／Ｍで表される。ここで、ｎはアレイ導波路の実効屈折率、ｎｓはスラブ導波路の実効屈折率、ｎ′は温度補償材料の屈折率であり、ＭはＡＷＧの回折次数である。

△Ｌ′／（△Ｌ−△Ｌ′）＝−α／α′すなわち△Ｌ′＝△Ｌ／（１−α′／α）で設計されており、透過中心波長の温度依存性が補償されている。ここで、αはアレイ導波路ならびにスラブ導波路の実効屈折率温度係数（α＝ｄｎ／ｄＴ）、α′は温度補償材料の屈折率温度係数（α′＝ｄｎ′／ｄＴ）である。

温度補償材料２６０８としては、特に、温度補償材料の屈折率温度係数α′がアレイ導波路の実効屈折率温度係数αと異なる係数（異符号）であり、かつ、｜α′｜が｜α｜に比較して十分大きいような材料が好ましい。このような条件の材料としては、例えばシリコン樹脂があり、α′〜−４０×αである。

また、ＡＷＧにおいては、通常透過スペクトルはガウス関数的な曲線を有する。しかし、入力導波路の第一のスラブ導波路に接続する部分にパラボラ形状のテーパ構造を設けることで、透過スペクトルを平坦化する方法が開発されている。この方法について詳しくは、特開平９−２９７２２８号公報に記載されている。このように透過スペクトルを平坦化したＡＷＧに関しても、前述した透過波長の温度依存性を低減する技術は適用可能であり、透過スペクトルを平坦化したアサーマルＡＷＧを実現することができる。

なお、本願発明に関連する先行技術文献としては以下のものがある。

「国際公開特許ＷＯ９８／３６２９９号公報」

「特開平９−２９７２２８号公報」

前記のように、アサーマルＡＷＧは、アレイ導波路上に溝を形成し、その溝に温度補償材料を挿入することによって実現される。しかし、このような溝を有するＡＷＧでは、溝における放射損失により過剰な損失が生じ、回路の損失特性が劣化する。

例として、比屈折率差０．７５％、コア幅×コア厚６．０μｍ×６．０μｍの導波路によって作製された、チャネル数１６、チャネル波長間隔０．８ｎｍのアレイ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧを挙げる。

このアサーマルＡＷＧのアレイ導波路の本数は１２５本であり、△Ｌは５０μｍで、△Ｌ′は１．２５μｍである。また、溝は４個に分割している。

図２４はｉ番目のアレイ導波路上の、シリコン樹脂が充填された溝における損失の分布を示したものである。これら各アレイ導波路上の溝における損失の寄与により、アサーマルＡＷＧ回路全体における、溝に起因する過剰損失は約１．１ｄＢとなる。

また、別の例として、同じく比屈折率差０．７５％、コア幅×コア厚６．０μｍ×６．０μｍの導波路によって作製された、チャネル数１６、チャネル波長間隔０．８ｎｍの透過スペクトルが平坦化された、アレイ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧを挙げる。

このアサーマルＡＷＧのアレイ導波路の本数は１５０本であり、△Ｌは５０μｍで、△Ｌ′は１．２５μｍである。また、溝は４個に分割している。

図２５はｉ番目のアレイ導波路上の、シリコン樹脂が充填された溝における損失の分布を示したものである。これら各アレイ導波路上の溝における損失の寄与により、アサーマルＡＷＧ回路全体における、溝に起因する過剰損失は約１．４ｄＢとなる。

また、別の例として、同じく比屈折率差０．７５％、コア幅×コア厚６．０μｍ×６．０μｍの導波路によって作製された、チャネル数１６、チャネル波長間隔０．８ｎｍの、スラブ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧを挙げる。このアサーマルＡＷＧのアレイ導波路の本数は１２５本であり、△Ｌは５０μｍで、△Ｌ′は１．２５μｍである。また、溝は４個に分割している。

スラブ導波路上の溝における損失の寄与により、アサーマルＡＷＧ回路全体における、溝に起因する過剰損失は約０．８ｄＢとなる。

また、別の例として、同じく比屈折率差０．７５％、コア幅×コア厚６．０μｍ×６．０μｍの導波路によって作製された、チャネル数１６、チャネル波長間隔０．８ｎｍの、透過スペクトルが平坦化された、スラブ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧを挙げる。

このアサーマルＡＷＧのアレイ導波路の本数は１２５本であり、△Ｌは５０μｍで、△Ｌ′は１．２５μｍである。また、溝は４個に分割している。

スラブ導波路上の溝における損失の寄与により、アサーマルＡＷＧ回路全体における、溝に起因する過剰損失は約１．０ｄＢとなる。

図２６に透過波長を温度無依存化する従来技術を適用したアサーマルＡＷＧにおける、各アレイ導波路を分断する溝における損失を示し、図２７に透過波長を温度無依存化する従来技術を適用し、透過スペクトルを平坦化する従来技術を適用したアサーマルＡＷＧにおける、各アレイ導波路を分断する溝における損失を示す。

通常のＡＷＧに比して、アサーマルＡＷＧのこのような損失の増大は、ＡＷＧを使用する光通信システムの設計に制約を与えてしまうため、アサーマルＡＷＧにおいては、その溝における過剰損失の低減が望まれてきた。

本発明は、かかる問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、アサーマルＡＷＧにおいて、アレイ導波路上に形成した溝に起因する過剰損失を低減し、透過波長の温度依存性が小さく、かつ低損失なＡＷＧ波長合分波回路を提供することにある。

本発明では、ＡＷＧのアレイ導波路を伝播する光の強度が、中央のアレイ導波路では比較的強く、端部のアレイ導波路では比較的弱いことに着目した。

これは、端部のアレイ導波路を伝播する光の、ＡＷＧの透過特性に対する寄与が小さいことを意味し、従ってアサーマルＡＷＧを作製する場合には、中央部の端部のアレイ導波路においてのみ温度補償がなされていれば、端部のアレイ導波路において温度補償が不完全であっても、ＡＷＧの透過波長の温度依存性は十分低減が可能である。

以上の考察を踏まえ、第１番目の発明による光波長合分波回路は、所定の長さ△Ｌで順次長くなるアレイ導波路と、該アレイ導波路の両端部に接続されるスラブ導波路と、該スラブ導波路に接続される入出力導波路とを有し、前記アレイ導波路、スラブ導波路および入出力導波路は、それぞれクラッドおよびコアから構成されており、前記アレイ導波路には、前記クラッドおよびコアの一部を除去してなる溝が設けられ、該溝には、前記アレイ導波路の実効屈折率の温度係数と異なる屈折率温度係数を有する材料が充填され、前記アレイ導波路の実効屈折率の温度係数がαであり、前記溝に充填される材料の屈折率温度係数がα′であり、前記αと前記α′とは符号が異なり、前記アレイ導波路の隣接するアレイ導波路間において前記溝により除去された長さの差分が△Ｌ′である光波長合分波回路であって、前記アレイ導波路のうち中央部の隣接するアレイ導波路間に対する差分△Ｌ′は、△Ｌ／（１−α′／α）に等しく、その他の隣接するアレイ導波路間に対する差分△Ｌ′は、△Ｌ／（１−α′／α）より小さいことを特徴とする。

第２番目の発明による光波長合分波回路は、第１番目の発明において、前記一部の隣接するアレイ導波路が、最短のアレイ導波路を含み連続する複数のアレイ導波路、あるいは、最長のアレイ導波路を含み連続する複数のアレイ導波路、のいずれか一方または両方であることを特徴とする。

第３番目の発明による光波長合分波回路は、第１番目または第２番目の発明において、前記一部の隣接するアレイ導波路間に対して、前記溝により除去された長さの差分△Ｌ′が零であることを特徴とする。

第４番目の発明による光波長合分波回路は、所定の長さ△Ｌで順次長くなるアレイ導波路と、該アレイ導波路の両端部に接続されるスラブ導波路と、該スラブ導波路に接続される入出力導波路とを有し、前記アレイ導波路、スラブ導波路および入出力導波路は、クラッドおよびコアから構成されており、前記スラブ導波路の少なくとも一方には、前記クラッドおよびコアの一部を除去してなる溝が設けられ、該溝には、前記アレイ導波路およびスラブ導波路の実効屈折率の温度係数と異なる屈折率温度係数を有する材料が充填され、前記アレイ導波路およびスラブ導波路の実効屈折率の温度係数がαであり、前記溝に充填される材料の屈折率温度係数がα′であり、前記αと前記α′とは符号が異なり、前記入出力導波路から前記スラブ導波路への接続端と、前記アレイ導波路の隣接するアレイ導波路から前記スラブ導波路への接続端を結ぶ２つの線分を分断する前記溝の幅の差分が△Ｌ′である光波長合分波回路であって、前記アレイ導波路のうち中央部の隣接するアレイ導波路間に対する差分△Ｌ′は、△Ｌ／（１−α′／α）に等しく、その他の隣接するアレイ導波路間に対する差分△Ｌ′は、△Ｌ／（１−α′／α）より小さいことを特徴とする。

第５番目の発明による光波長合分波回路は、第４番目の発明において、前記一部の隣接するアレイ導波路が、最短のアレイ導波路を含み連続する複数のアレイ導波路、あるいは、最長のアレイ導波路を含み連続する複数のアレイ導波路、のいずれか一方または両方であることを特徴とする。

第６番目の発明による光波長合分波回路は、第４番目または第５番目の発明において、前記一部の隣接するアレイ導波路間に対して、前記溝により除去された長さの差分△Ｌ′が零であることを特徴とする。

第７番目の発明による光波長合分波回路は、第１番目乃至第６番目の発明のうちいずれか１つの発明において、前記入力導波路の前記スラブ導波路と接続する部分が、直線状のテーパ構造になっていることを特徴とする。

第８番目の発明による光波長合分波回路は、第１番目乃至第６番目の発明のうちいずれか１つの発明において、前記入力導波路の前記スラブ導波路と接続する部分が、パラボラ形状のテーパ構造になっていることを特徴とする。

第９番目の発明による光波長合分波回路は、第１番目乃至第８番目の発明のうちいずれか１つの発明において、前記クラッドおよび前記コアが石英系ガラスからなることを特徴とする。

第１０番目の発明による光波長合分波回路は、第１番目乃至第９番目の発明のうちいずれか１つの発明において、前記溝に充填された材料がシリコン樹脂であることを特徴とする。

本願において開示される発明によって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。

本発明によれば、光波長合分波回路において、光の透過波長の温度依存性を十分低減したままでありながらも、導波路上に形成された溝における過剰損失を低減することができる。

これにより、低損失かつ透過波長の温度依存性が小さい光波長合分波回路を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

本発明の実施例１に係る光波長合分波回路について、図１〜図７を参照して説明する。

図１は回路の概略構成を示した平面図であり、１０１はシリコン基板、１０２は入力導波路、１０３は第１のスラブ導波路、１０４はアレイ導波路、１０５は第２のスラブ導波路、１０６は出力導波路、１０７はアレイ導波路１０４上に形成された溝、１０８は溝１０７に充填されている、温度補償材料としてのシリコン樹脂である。

本実施例１に係る光波長合分波回路は、図１に示すように、シリコン基板１０１上に、所定の長さ△Ｌで順次長くなるアレイ導波路１０４と、該アレイ導波路１０４の両端部に接続されるスラブ導波路１０３、１０５と、該スラブ導波路１０３、１０５に接続される入出力導波路１０２、１０６が設けられている。前記アレイ導波路１０４、スラブ導波路１０３、１０５および入出力導波路１０２、１０６は、それぞれクラッドおよびコアから構成されている。前記アレイ導波路１０４には、前記クラッドおよびコアの一部を除去してなる溝１０７が設けられ、該溝１０７には、前記アレイ導波路１０４の実効屈折率の温度係数と異なる屈折率温度係数を有する材料（温度補償材料としてのシリコン樹脂）１０８が充填されている。前記アレイ導波路１０４の実効屈折率の温度係数はαであり、前記溝１０７に充填される材料１０８の屈折率温度係数はα′である。そして、前記光波長合分波回路は、アレイ導波路１０４の隣接するアレイ導波路１０４間において、前記溝１０７により除去された長さの差分が△Ｌ′である光波長合分波回路であって、前記アレイ導波路のうち中央部の隣接するアレイ導波路間に対する差分△Ｌ′は、△Ｌ／（１−α′／α）に等しく、その他の隣接するアレイ導波路間に対する差分△Ｌ′は、△Ｌ／（１−α′／α）より小さいことを特徴とする。

好ましくは、前記一部の隣接するアレイ導波路１０４は、最短のアレイ導波路を含み連続する複数のアレイ導波路、あるいは最長のアレイ導波路を含み連続する複数のアレイ導波路のいずれか一方または両方であるようにすることができる。

また、前記一部の隣接するアレイ導波路１０４間に対する差分△Ｌ′が零であるようにすることができる。

以下、更に具体的な説明を加える。前記各導波路は、比屈折率差０．７５％、コア幅×コア厚６．０μｍ×６．０μｍの石英系導波路であり、チャネル数１６、チャネル波長間隔０．８ｎｍの特性を有する光波長合分波回路である。

前記アレイ導波路１０４の本数Ｎは、例えば１２５本であり、隣接するアレイ導波路の導波路長差△Ｌは５０μｍである。

図２は前記溝１０７とその近傍を拡大して示す平面図であり、図３は図２中のＡＡ′線における断面図、図４は図２中のＢＢ′線における断面図である。

図２〜図４において、シリコン基板１０１に、導波路コア１０９、クラッド１１０が設けられている。溝１０７は４個の溝１１１〜１１４に分割されており、導波路コア１０９、クラッド１１０の一部を除去して形成される。また、溝１１１〜１１４には温度補償材料としてシリコン樹脂１０８が充填されている。

図２中ｉ番目のアレイ導波路の長さＬｉは、Ｌｉ＝Ｌｌ＋（ｉ−１）・△Ｌと表され、一定量（所定の長さ）△Ｌずつ順次長くなるよう設計されている。これに対し、溝１１１〜１１４それぞれによって分断されるアレイ導波路の長さＬ（４）ｉ′は、数１の式で表される。

（数１） Ｌ（４）ｉ′＝Ｌ（４）１′＋（ｉ−１）・γ・△Ｌ０′／４
（ｉ＝１〜ｊのとき）
Ｌ（４）ｉ′＝Ｌ（４）１′＋（ｊ−１）・γ・△Ｌ０′／４
＋（ｉ−ｊ）・△Ｌ０′／４
（ｉ＝ｊ＋１〜ｋのとき）
Ｌ（４）ｉ′＝Ｌ（４）１′＋（ｊ−１）・γ・△Ｌ０′／４
＋（ｋ−ｊ）・△Ｌ０′／４
＋（ｉ−ｋ）・γ・△Ｌ０′／４
（ｉ＝ｋ＋１〜Ｎのとき）
ここで、△Ｌ０′＝△Ｌ／（１−α′／α）、０≦γ＜１、１＜ｊ＜ｋ＜Ｎであり、αはアレイ導波路の実効屈折率の温度係数、α′はシリコン樹脂の屈折率の温度係数である。

このとき、ｊ＋１〜ｋ番目のアレイ導波路では、隣接するアレイ導波路において、溝１１１〜１１８それぞれによって分断される長さの差分が△Ｌ０′／４であり、温度補償が完全であるのに対し、１〜ｊ番目ならびにｋ＋１〜Ｎ番目のアレイ導波路では、隣接するアレイ導波路において、溝１１１〜１１４それぞれによって分断される長さの差分がγ・△Ｌ０′／４であり、△Ｌ０′／４よりも小さく、温度補償が不完全であるように設計されている。γは温度補償の不完全さを表すパラメータである。ここでγ＝１の場合が従来例（図２３）に相当する。

図５は本実施例１の光波長合分波回路において、γ＝０、ｊ＝１３、ｋ＝１１３の場合に、出力チャンネル９における透過スペクトルを、温度Ｔ＝−１５、５、２５、４５、６５℃のついて示したものである。

また、図６は同様に１ｄＢ、３ｄＢ、２０ｄＢ透過幅を示したものである。８０℃の温度範囲に渡って、透過中心波長ならびに透過波形にほとんど変化がないことが分かる。つまり、中央のアレイ導波路のみに温度補償がなされていれば、端部のアレイ導波路において温度補償が不完全であっても、ＡＷＧの透過波長の温度依存性は十分低減することができる。

図７は本実施例１の光波長合分波回路において、γ＝０、ｊ＝１３、ｋ＝１１３の場合に、ｉ番目のアレイ導波路上の、シリコン樹脂が充填された溝における損失の分布を示したものである。

本実施例１の光波長合分波回路は、図２５に示す従来例に比して、各アレイ導波路上の溝における損失が低減されていることが分かる。回路全体における、溝に起因する過剰損失は約０．８ｄＢとなり、従来例に比して０．３ｄＢ低減されている。

本発明の実施例２に係る光波長合分波回路について、図１〜図１１を参照して説明する。

本実施例２におけるアレイ導波路および溝の構成は、前記実施例１と同様であるが、入力導波路１０２の第一のスラブ導波路１０３に接続する部分に、図８に示すように、パラボラ形状のテーパ構造１１５が設けられており、透過スペクトルが平坦化されている。

各導波路は、比屈折率差０．７５％、コア幅×コア厚６．０μｍ×６．０μｍの石英系導波路であり、チャネル数１６、チャネル波長間隔０．８ｎｍの特性を有する光波長合分波回路である。

アレイ導波路の本数Ｎは１５０本であり、隣接するアレイ導波路の導波路長差△Ｌは５０μｍである。また、パラボラ形状のテーパ構造１１５は、幅３０μｍ、長さ４００μｍである。

溝は４個に分割されており、温度補償材料としてシリコン樹脂が充填されている。

ｉ番目のアレイ導波路の長さＬｉは、Ｌｉ＝Ｌｌ＋（ｉ−１）・△Ｌと表され、一定量（所定の長さ）△Ｌずつ順次長くなるよう設計されている。これに対し、各溝によって分断されるアレイ導波路の長さＬ（４）ｉ′は、数２の式で表される。

（数２） Ｌ（４）ｉ′＝Ｌ（４）１′＋（ｉ−１）・γ・△Ｌ０′／４
（ｉ＝１〜ｊのとき）
Ｌ（４）ｉ′＝Ｌ（４）１′＋（ｊ−１）・γ・△Ｌ０′／４
＋（ｉ−ｊ）・△Ｌ０′／４
（ｉ＝ｊ＋１〜ｋのとき）
Ｌ（４）ｉ′＝Ｌ（４）１′＋（ｊ−１）・γ・△Ｌ０′／４
＋（ｋ−ｊ）・△Ｌ０′／４
＋（ｉ−ｋ）・γ・△Ｌ０′／４
（ｉ＝ｋ＋１〜Ｎのとき）
ここで、△Ｌ０′＝△Ｌ／（１−α′／α）、０≦γ＜１、１＜ｊ＜ｋ＜Ｎであり、αはアレイ導波路の実効屈折率の温度係数、α′はシリコン樹脂の屈折率の温度係数である。

このとき、ｊ＋１〜ｋ番目のアレイ導波路では、隣接するアレイ導波路において、溝１１１〜１１８それぞれによって分断される長さの差分が△Ｌ０′／４であり、温度補償が完全であるのに対し、１〜ｊ番目ならびにｋ＋１〜Ｎ番目のアレイ導波路では、隣接するアレイ導波路において、溝１１１〜１１４それぞれによって分断される長さの差分がγ・△Ｌ０′／４であり、△Ｌ０′／４よりも小さく、温度補償が不完全であるように設計されている。γは温度補償の不完全さを表すパラメータである。

図９は本実施例２の光波長合分波回路において、γ＝０、ｊ＝１５、ｋ＝１３６の場合に、出力チャンネル９における透過スペクトルを、温度Ｔ＝−１５、５、２５、４５、６５℃のついて示したものである。

また、図１０は同様に１ｄＢ、３ｄＢ、２０ｄＢ透過幅を示したものである。８０℃の温度範囲に渡って、透過中心波長ならびに透過波形にほとんど変化がないことが分かる。

図１１は本実施例２の光波長合分波回路において、γ＝０、ｊ＝１５、ｋ＝１３６の場合に、ｉ番目のアレイ導波路上の、シリコン樹脂が充填された溝における損失の分布を示したものである。図２７に示す従来例に比して、各アレイ導波路上の溝における損失が低減されていることが分かる。回路全体における、溝に起因する過剰損失は約１．１ｄＢとなり、従来例に比して０．３ｄＢ低減されている。

本発明の実施例３に係る光波長合分波回路について、図１２〜図１５を参照して説明する。

図１２は本実施例３に係る光波長合分波回路の概略構成を示した平面図であり、１００１はシリコン基板、１００２は入力導波路、１００３は第１のスラブ導波路、１００４はアレイ導波路、１００５は第２のスラブ導波路、１００６は出力導波路、１００７は第１のスラブ導波路１００３上に形成された溝、１００８は溝１００７に充填されている温度補償材料としてのシリコン樹脂である。

本実施例３に係る光波長合分波回路は、図１２に示すように、シリコン基板１００１上に、所定の長さ△Ｌで順次長くなるアレイ導波路１００４と、該アレイ導波路１００４の両端部に接続されるスラブ導波路１００３、１００５と、該スラブ導波路に接続される入出力導波路１００２、１００６とが設けられている。前記アレイ導波路１００４、スラブ導波路１００３、１００５および入出力導波路１００２、１００６は、クラッドおよびコアから構成されている。前記スラブ導波路１００３、１００５の少なくとも一方には、前記クラッドおよびコアの一部を除去してなる溝１００７が設けられ、該溝１００７には、前記アレイ導波路およびスラブ導波路の実効屈折率の温度係数と異なる屈折率温度係数を有する材料１００８が充填されている。前記アレイ導波路１００４およびスラブ導波路１０３または１００５の実効屈折率の温度係数はαであり、前記溝に充填される材料の屈折率温度係数はα′である。前記入出力導波路１００２、１００６から前記スラブ導波路１００３または１００５への接続端と、前記アレイ導波路１００４の隣接するアレイ導波路から前記スラブ導波路１００３または１００５への接続端を結ぶ２つの線分を分断する前記溝１００７の幅の差分が△Ｌ′である光波長合分波回路である。そして、前記アレイ導波路のうち中央部の隣接するアレイ導波路間に対する差分△Ｌ′は、△Ｌ／（１−α′／α）に等しく、その他の隣接するアレイ導波路間に対する差分△Ｌ′は、△Ｌ／（１−α′／α）より小さいことを特徴とする。

更に具体的な説明を加える。各導波路は、比屈折率差０．７５％、コア幅×コア厚６．０μｍ×６．０μｍの石英系導波路であり、チャネル数１６、チャネル波長間隔０．８ｎｍの特性を有する光波長合分波回路である。アレイ導波路の本数Ｎは１２５本であり、隣接するアレイ導波路の導波路長差△Ｌは５０μｍである。

図１３は前記溝１００７が形成された第１のスラブ導波路１００３上近傍を拡大して示す平面図である。

図１３は図１２中のＡＡ′線における断面図、図１４は図１２中のＢＢ′線における断面図である。

前記溝１００７は４個の溝１０１１〜１０１４に分割されており、溝１０１１〜１０１４には温度補償材料としてシリコン樹脂１００８が充填されている。

図１３中ｉ番目のアレイ導波路の長さＬｉは、Ｌｉ＝Ｌｌ＋（ｉ−１）・△Ｌと表され、一定量（所定の長さ）△Ｌずつ順次長くなるよう設計されている。これに対し、入力導波路とｉ番目のアレイ導波路を結ぶ線分が横切る溝１０１１〜１０１４それぞれによって分断されるアレイ導波路の幅Ｌ（４）ｉ′は、数３の式で表される。

（数３） Ｌ（４）ｉ′＝Ｌ（４）１′＋（ｉ−１）・γ・△Ｌ０′／４
（ｉ＝１〜ｊのとき）
Ｌ（４）ｉ′＝Ｌ（４）１′＋（ｊ−１）・γ・△Ｌ０′／４
＋（ｉ−ｊ）・△Ｌ０′／４
（ｉ＝ｊ＋１〜ｋのとき）
Ｌ（４）ｉ′＝Ｌ（４）１′＋（ｊ−１）・γ・△Ｌ０′／４
＋（ｋ−ｊ）・△Ｌ０′／４
＋（ｉ−ｋ）・γ・△Ｌ０′／４
（ｉ＝ｋ＋１〜Ｎのとき）
ここで、△Ｌ０′＝△Ｌ／（１−α′／α）、０≦γ＜１、１＜ｊ＜ｋ＜Ｎであり、αはアレイ導波路ならびにスラブ導波路の実効屈折率の温度係数、α′はシリコン樹脂の屈折率の温度係数である。このとき、ｊ＋１〜ｋ番目のアレイ導波路では、隣接するアレイ導波路において、溝１０１１〜１０１４それぞれによって分断される長さの差分が△Ｌ０′／４であり、温度補償が完全であるのに対し、１〜ｊ番目ならびにｋ＋１〜Ｎ番目のアレイ導波路では、隣接するアレイ導波路において、溝１０１１〜１０１４それぞれによって分断される長さの差分がγ・△Ｌ０′／４であり、△Ｌ０′／４よりも小さく、温度補償が不完全であるように設計されている。γは温度補償の不完全さを表すパラメータである。

図１４は本実施例１の光波長合分波回路において、γ＝０、ｊ＝１３、ｋ＝１１３の場合に、出力チャンネル９における透過スペクトルを、温度Ｔ＝−１５、５、２５、４５、６５℃について示したものである。

また、図１５は同様に１ｄＢ、３ｄＢ、２０ｄＢ透過幅を示したものである。８０℃の温度範囲に渡って、透過中心波長ならびに透過波形にほとんど変化がないことが分かる。

本実施例３の光波長合分波回路において、γ＝０、ｊ＝１３、ｋ＝１１３の場合に、回路全体における溝１００７に起因する過剰損失は約０．６ｄＢとなり、従来例に比して０．２ｄＢ低減されている。

本発明の実施例４に係る光波長合分波回路について、図１６〜図１８を参照して説明する。

本実施例４におけるスラブ導波路、アレイ導波路および溝の構成は、前記実施例３と同様であるが、入力導波路１００２の第一のスラブ導波路１００３に接続する部分に、図１６に示すように、パラボラ形状のテーパ構造１０１５が設けられており、透過スペクトルが平坦化されている。

各導波路は、比屈折率差０．７５％、コア幅×コア厚６．０μｍ×６．０μｍの石英系導波路であり、チャネル数１６、チャネル波長間隔０．８ｎｍの特性を有する光波長合分波回路である。

アレイ導波路の本数Ｎは１５０本であり、隣接するアレイ導波路の導波路長差△Ｌは５０μｍである。また、パラボラ形状のテーパ構造１０１５は、幅３０μｍ、長さ４００μｍである。

溝は４個に分割されており、温度補償材料としてシリコン樹脂が充填されている。

ｉ番目のアレイ導波路の長さＬｉは、Ｌｉ＝Ｌｌ＋（ｉ−１）・△Ｌと表され、一定量（所定の長さ）△Ｌずつ順次長くなるよう設計されている。これに対し、入力導波路ｉ番目のアレイ導波路を結ぶ線分が横切る各溝の幅Ｌ（４）ｉ′は、数４の式で表される。

（数４） Ｌ（４）ｉ′＝Ｌ（４）１′＋（ｉ−１）・γ・△Ｌ０′／４
（ｉ＝１〜ｊのとき）
Ｌ（４）ｉ′＝Ｌ（４）１′＋（ｊ−１）・γ・△Ｌ０′／４
＋（ｉ−ｊ）・△Ｌ０′／４
（ｉ＝ｊ＋１〜ｋのとき）
Ｌ（４）ｉ′＝Ｌ（４）１′＋（ｊ−１）・γ・△Ｌ０′／４
＋（ｋ−ｊ）・△Ｌ０′／４
＋（ｉ−ｋ）・γ・△Ｌ０′／４
（ｉ＝ｋ＋１〜Ｎのとき）
ここで、△Ｌ０′＝△Ｌ／（１−α′／α）、０≦γ＜１、１＜ｊ＜ｋ＜Ｎであり、αはアレイ導波路ならびにスラブ導波路の実効屈折率の温度係数、α′はシリコン樹脂の屈折率の温度係数である。

このとき、ｊ＋１〜ｋ番目のアレイ導波路では、隣接するアレイ導波路において、溝１０１１〜１０１４それぞれによって分断される長さの差分が△Ｌ０′／４であり、温度補償が完全であるのに対し、１〜ｊ番目ならびにｋ＋１〜Ｎ番目のアレイ導波路では、隣接するアレイ導波路において、溝１０１１〜１０１４それぞれによって分断される長さの差分がγ・△Ｌ０′／４であり、△Ｌ０′／４よりも小さく、温度補償が不完全であるように設計されている。γは温度補償の不完全さを表すパラメータである。

図１７は本実施例２の光波長合分波回路において、γ＝０、ｊ＝１５、ｋ＝１３６の場合に、出力チャンネル９における透過スペクトルを、温度Ｔ＝−１５、５、２５、４５、６５℃のついて示したものである。

また、図１８は同様に１ｄＢ、３ｄＢ、２０ｄＢ透過幅を示したものである。８０℃の温度範囲に渡って、透過中心波長ならびに透過波形にほとんど変化がないことが分かる。

本実施例４の光波長合分波回路において、γ＝０、ｊ＝１５、ｋ＝１３６の場合に、回路全体における、溝に起因する過剰損失は約０．８ｄＢとなり、従来例に比して０．３ｄＢ低減されている。

以上前記４つの実施例から、本発明の光波長合分波回路では、光の透過波長の温度依存性を十分低減したままでありながらも、従来例に比較して、導波路上に形成された溝における過剰損失が低減されることが確認された。この結果、本発明によれば、低損失かつ透過波長の温度依存性が小さい波長合分波回路を得ることが可能である。

前記全ての実施例では、導波路の比屈折率差、コア幅及びコア厚を特定の値に限定したが、本発明の適用範囲は、この値に限定されるものではない。

前記全ての実施例では、ＡＷＧの設計パラメータを特定の値に限定したが、本発明の適用範囲は、このパラメータに限定されるものではない。

前記全ての実施例では、分割した溝の個数を特定の値に限定したが、本発明の適用範囲は、この数に限定されるものではない。

前記全ての実施例では、温度補償材料としてシリコン樹脂を使用したが、本発明の適用範囲は、この材料に限定されるものではない。

本発明の実施例１に係る光波長合分波回路の概略構成を示した平面図 図１における溝とその近傍を拡大して示した平面図 図２におけるＡＡ′線の断面図 図３におけるＢＢ′線の断面図 本実施例１の光波長合分波回路における透過スペクトルの温度変化を示す図 本実施例１の光波長合分波回路における透過帯域幅の温度変化を示す図 本実施例１の光波長合分波回路における各アレイ導波路を分断する溝における損失を示す図 本発明の実施例２の光波長合分波回路の構成において、入力導波路の第一のスラブ導波路に接続する部分を示した平面図 本実施例２の光波長合分波回路における透過スペクトルの温度変化を示す図 本実施例２の光波長合分波回路における透過帯域幅の温度変化を示す図 本実施例２の光波長合分波回路における各アレイ導波路を分断する溝における損失を示す図 本発明の実施例の光波長合分波回路の概略構成を示した平面図 図１１における溝の近傍を拡大して示した平面図 本発明の実施例３の波長合分波回路における透過スペクトルの温度変化を示す図 本実施例３の光波長合分波回路における透過帯域幅の温度変化を示す図 本実施例３の光波長合分波回路の構成において、入力導波路の第一のスラブ導波路に接続する部分を示した平面図 本発明の実施例４の光波長合分波回路における透過スペクトルの温度変化を示す図 本実施例４の光波長合分波回路における透過帯域幅の温度変化を示す図 透過波長を温度無依存化する従来技術を適用したＡＷＧの概略構成を示す平面図（アレイ導波路に溝を形成する例） 図１９における溝近傍を拡大して示した平面図（単一の溝の例） 図２０におけるＡＡ′線の断面図 図２１におけるＢＢ′線の断面図 図１９における溝近傍を拡大して示した平面図（分割された複数の溝の例） 透過波長を温度無依存化する従来技術を適用したＡＷＧの概略構成を示す平面図（スラブ導波路に溝を形成する場合の例） 図２４における溝近傍を拡大して示した平面図 透過波長を温度無依存化する従来技術を適用したＡＷＧにおける各アレイ導波路を分断する溝における損失を示す図 透過波長を温度無依存化する従来技術を適用したアサーマルＡＷＧにおける、各アレイ導波路を分断する溝における損失、透過スペクトルが平担化した場合を示す図

符号の説明

101、1001、2101、2601‥‥‥シリコン基板
102、1002、2102、2602‥‥‥入力導波路
106、1006、2106、2606‥‥‥出力導波路
103、1003、2103、2603‥‥‥第１のスラブ導波路
105、1005、2105、2605‥‥‥第２のスラブ導波路
104、1004、2104、2604‥‥‥アレイ導波路
107、111、112、113、114、1007、1011、1012、1013、1014、2107、2111、2112、2113、2114、2607、2611、2612、2613、2614‥‥‥溝
108、1008、2108‥‥‥温度補償材料
109、2109‥‥‥導波路コア
110、2110‥‥‥クラッド
115、1015‥‥‥パラボラ形状のテーパ導波路

Claims (10)

1. 所定の長さ△Ｌで順次長くなるアレイ導波路と、該アレイ導波路の両端部に接続されるスラブ導波路と、該スラブ導波路に接続される入出力導波路とを有し、
   前記アレイ導波路、スラブ導波路および入出力導波路は、それぞれクラッドおよびコアから構成されており、
   前記アレイ導波路には、前記クラッドおよびコアの一部を除去してなる溝が設けられ、該溝には、前記アレイ導波路の実効屈折率の温度係数と異なる屈折率温度係数を有する材料が充填され、
   前記アレイ導波路の実効屈折率の温度係数がαであり、前記溝に充填される材料の屈折率温度係数がα′であり、
   前記αと前記α′とは符号が異なり、
   前記アレイ導波路の隣接するアレイ導波路間において前記溝により除去された長さの差分が△Ｌ′である光波長合分波回路であって、
   前記アレイ導波路のうち中央部の隣接するアレイ導波路間に対する差分△Ｌ′は、△Ｌ／（１−α′／α）に等しく、その他の隣接するアレイ導波路間に対する差分△Ｌ′は、△Ｌ／（１−α′／α）より小さいことを特徴とする光波長合分波回路。
2. 前記その他の隣接するアレイ導波路は、最短のアレイ導波路を含み連続する複数のアレイ導波路、あるいは最長のアレイ導波路を含み連続する複数のアレイ導波路のいずれか一方または両方であることを特徴とする請求項１に記載の光波長合分波回路。
3. 前記その他の隣接するアレイ導波路間に対する差分△Ｌ′が零であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光波長合分波回路。
4. 所定の長さ△Ｌで順次長くなるアレイ導波路と、該アレイ導波路の両端部に接続されるスラブ導波路と、該スラブ導波路に接続される入出力導波路とを有し、
   前記アレイ導波路、スラブ導波路および入出力導波路は、クラッドおよびコアから構成されており、
   前記スラブ導波路の少なくとも一方には、前記クラッドおよびコアの一部を除去してなる溝が設けられ、該溝には、前記アレイ導波路およびスラブ導波路の実効屈折率の温度係数と異なる屈折率温度係数を有する材料が充填され、
   前記アレイ導波路およびスラブ導波路の実効屈折率の温度係数がαであり、前記溝に充填される材料の屈折率温度係数がα′であり、
   前記αと前記α′とは符号が異なり、
   前記入出力導波路から前記スラブ導波路への接続端と、前記アレイ導波路の隣接するアレイ導波路から前記スラブ導波路への接続端を結ぶ２つの線分を分断する前記溝の幅の差分が△Ｌ′である光波長合分波回路であって、
   前記アレイ導波路のうち中央部の隣接するアレイ導波路間に対する差分△Ｌ′は、△Ｌ／（１−α′／α）に等しく、その他の隣接するアレイ導波路間に対する差分△Ｌ′は、△Ｌ／（１−α′／α）より小さいことを特徴とする光波長合分波回路。
5. 前記その他の隣接するアレイ導波路が、最短のアレイ導波路を含み連続する複数のアレイ導波路、あるいは、最長のアレイ導波路を含み連続する複数のアレイ導波路のいずれか一方または両方であることを特徴とする請求項４に記載の光波長合分波回路。
6. 前記その他の隣接するアレイ導波路間に対する差分△Ｌ′が零であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の光波長合分波回路。
7. 前記入力導波路の前記スラブ導波路と接続する部分が、直線状のテーパ構造になっていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちいずれか１項に記載の光波長合分波回路。
8. 前記入力導波路の前記スラブ導波路と接続する部分が、パラボラ形状のテーパ構造になっていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちいずれか１項に記載の光波長合分波回路。
9. 前記クラッドおよび前記コアが石英系ガラスからなることを特徴とする請求項１乃至請求項８のうちいずれか１項に記載の光波長合分波回路。
10. 前記溝に充填された材料がシリコン樹脂であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のうちいずれか１項に記載の光波長合分波回路。

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