JP5086164B2 - 光波長合分波回路 - Google Patents

Description

本発明は、光波長合分波回路に関し、より詳細には、アレイ導波路回折格子型の光波長合分波回路に関する。

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、特許文献１に開示されている。透過波長の温度依存性を低減したＡＷＧは、「温度無依存ＡＷＧ」または「アサーマルＡＷＧ」と呼ばれる。アサーマルＡＷＧは、ＡＷＧ内の各光路の一部分断した溝を形成し、その溝に導波路の実効屈折率の温度係数とは異なる屈折率温度係数を有する材料（以下「温度補償材料」という。）を挿入することによって実現される。温度補償材料は、アレイ導波路において温度変化によって生ずる光路長差変化を相殺する。

図９は、アレイ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧ９０７の構成を示す平面図である。ここで、９０１は第１の入出力導波路、９０２は第１のスラブ導波路、９０３はアレイ導波路、９０４は第２のスラブ導波路、９０５は第２の入出力導波路、９０６は溝であり、溝９０６には温度補償材料が充填されている。溝９０６は、アレイ導波路９０３中央の直線部分に、複数の溝に分割されて形成されている。これは複数の溝に分割して特定の間隔で配置することで、単一の溝よりも放射損失を低減することが可能だからである。図１０は、図９のアサーマルＡＷＧのＸ−Ｘ線に沿った断面図である。ここで、９０６は溝であり、９０８はシリコン基板、９１０はクラッドである。また点線で示される９０９は導波路コアの位置を示している。溝９０６は導波路コアおよびクラッドの一部を取り除いて形成されており、導波路コアを分断している。

図１１は、図９に示す構成のアサーマルＡＷＧを、同一チップ９０７上に２回路配置した場合の構成を示す平面図である。ここで、９０１から９０６の符号は図９と同様の部分を示しており、また同様に、９１１は第１の入出力導波路、９１２は第１のスラブ導波路、９１３はアレイ導波路、９１４は第２のスラブ導波路、９１５は第２の入出力導波路、９１６は溝であり、溝９１６には温度補償材料が充填されている。また、溝９１６も複数の溝に分割されている。このようにスラブ導波路を交差させることで、ほぼ１回路を配置するのに要する長方形チップの面積内において、２回路を配置することが可能である。また交差するスラブ導波路を伝播する光波は、互いに進行方向が異なるため、回路間で光が漏洩することは無い。このような２回路配置のアサーマルＡＷＧは、２つの別個な光波長合分波回路の機能を１つのチップで実現可能であり、あるいは、２回路でより特性の優れた回路を使用することで統計的に回路特性を向上させることが可能であるため、非常に有用な構成である。

一方、スラブ導波路に溝を形成するアサーマルＡＷＧの構成は、アレイ導波路上に溝を形成するための直線領域を設置する必要が無いため、非アサーマルＡＷＧと比較して回路面積で増大が無いという長所を有する。スラブ導波路に溝を形成するアサーマルＡＷＧについて更に詳しくは、特許文献２に開示されている。

図１２（Ａ）〜（Ｃ）は、スラブ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧ１２０７の構成を示す平面図である。ここで、１２０１は第１の入出力導波路、１２０２は第１のスラブ導波路、１２０３はアレイ導波路、１２０４は第２のスラブ導波路、１２０５は第２の入出力導波路、１２０６は溝であり、溝１２０６には温度補償材料が充填されている。また、溝１２０６は複数の溝に分割され、第１のスラブ導波路１２０２または第２のスラブ導波路１２０４の中央に、特定の間隔で配置されている。これにより、単一の溝よりも放射損失を低減することが可能である。図１２（Ａ）は第１のスラブ導波路１２０２に溝を形成する場合、図１２（Ｂ）は第２のスラブ導波路１２０４に溝を形成する場合、図１２（Ｃ）は両方のスラブ導波路に溝を形成する場合を示している。また図１３は図１２（Ａ）のアサーマルＡＷＧのＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿った断面図である。ここで、１２０６は溝であり、１２０８はシリコン基板、１２０９は導波路コア、１２１０はクラッドである。溝１２０６は導波路コアおよびクラッドの一部を取り除いて形成されており、導波路コアを分断している。図１２（Ｂ）及び図１２（Ｃ）に示す構成のアサーマルＡＷＧにおいても、溝１２０６の断面の構成は図１３に示されたものと同一である。

図１２（Ａ）〜（Ｃ）においてｉ番目のアレイ導波路の光路長_iは、Ｌ_i＝Ｌ_i＋（ｉ−１）・ΔＬと表され、一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。これに応じて、各アレイ導波路を通過する光波が、溝１２０６によって第１のスラブ導波路１２０１または第２のスラブ導波路１２０４において分断される長さＬ_i’はＬ_i’＝Ｌ_i’＋（ｉ−ｌ）・ΔＬ’と表され、ΔＬに比例した量ΔＬ’ずつ順次長くなるような形状をしている。これらのＡＷＧにおける透過中心波長λ_oは、およそ
λ_o＝｛ｎ_a・ΔＬ−ｎ_s・ΔＬ’＋ｎ’・ΔＬ’｝／Ｍ
と表される。ここで、ｎ_aはアレイ導波路の実効屈折率、ｎ_s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。アサーマルＡＷＧでは、ΔＬ’／（ΔＬ−ΔＬ’）＝−α／α’すなわちΔＬ’＝ΔＬ／（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はアレイ導波路およびスラブ導波路の実効屈折率温度係数（α＝ｄｎ_a／ｄＴ＝ｄｎ_s／ｄＴ）、α’は温度補償材料の屈折率温度係数（α’＝ｄｎ’／ｄＴ）である。

温度補償材料としては，特にα’がαと異符号であり、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、例えば光学樹脂であるシリコーン樹脂があり、α’〜−３５×αである。

国際公開第ＷＯ９８／３６２９９号パンフレット 特許第３４９８６５０号公報

図１２（Ａ）〜（Ｃ）にあるような、従来技術における、スラブ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧでは、第１のスラブ導波路１２０２または第２のスラブ導波路１２０４の中央に溝１２０６が配置されているため、図１１のような構成で同一チップ上に２回路を配置することができない。これは一方のアサーマルＡＷＧ回路における溝が、他方のアサーマルＡＷＧにおける光波の伝播を阻害するためである。そのため、２つの光波長合分波回路の機能を１つのチップで実現する、あるいは、２回路でより特性の優れた回路を使用して統計的に回路特性を向上させるためには、全ての部分が重複することの無いように２回路を配置する必要があり、これはチップサイズの増大を招いていた。

また、第１のスラブ導波路１２０２または第２のスラブ導波路１２０４の実効屈折率と、溝に充填された温度補償材料の屈折率との差分のため、光波が溝を通過する際に屈折角が生じる。この屈折角は、アサーマルＡＷＧを広い温度範囲で使用する場合や、アサーマルＡＷＧの波長チャネル間隔が狭い場合に、比較的大きくなる。光波に屈折角が生じると、第１のスラブ導波路１２０２または第２のスラブ導波路１２０４を伝播する光波（平面波）がアレイ導波路１２０３に対して傾斜して入力するために、結合損失が増大し、アサーマルＡＷＧの挿入損失を劣化させる可能性があった。

ここで図１２（Ａ）の、第１のスラブ導波路１２０２に溝１２０６を形成したアサーマルＡＷＧにおける、溝１２０６を通過する光波の屈折角について、具体的に考察する。アサーマルＡＷＧはΔ１．５％、コア幅×コア厚４．５μｍ×４．５μｍの導波路によって作製された、波長チャネル数４０、波長チャネル間隔０．４ｎｍ（５０ＧＨｚ）の設計であるとする。このときアレイ導波路１２０３の本数は１５０本、ΔＬは６８μｍ、ΔＬ’は２．３μｍ、第１のスラブ導波路１２０２の長さは６０８０μｍ、第１のスラブ導波路１２０２との接続部におけるアレイ導波路１２０３の間隔は９μｍである。図１４は、図１２（Ａ）のアサーマルＡＷＧにおける第１のスラブ導波路１２０２とその近傍を拡大した図である。ここで溝１２０６は６つの部分１２０６Ａ〜１２０６Ｆに分割されており、第１のスラブ導波路１２０２の中央に配置され、温度補償材料としてシリコーン樹脂が充填されている。第１のスラブ導波路１２０２の実効屈折率をｎ_sとし、シリコーン樹脂の屈折率をｎ’とする。図１４に示すように、溝１２０６Ａ〜１２０６Ｆの開口角度をα_A〜α_Fとすると、溝１２０６Ａ〜１２０６Ｆを通過した光波に生じる屈折角θはおよそ、

で表される。図１２（Ａ）のアサーマルＡＷＧにおいては、Σα_i＝α_A＋α_B＋α_C＋α_D＋α_E＋α_F＝２８．８度である。図１５は、ｎ_sおよびｎ’の温度依存性を示したグラフである。図より、シリコーン樹脂の屈折率温度係数は、石英ガラスのそれに比べて符号が逆で絶対値が３０倍以上ある。また図１６は、この温度条件における、屈折角θを示したグラフである。高温域ではｎ_sとｎ’の差が大きくなるため、θも増大し、温度８０℃ではθ＝１．５度に達する。第１の入出力導波路１２０１から入力した光波は、第１のスラブ導波路１２０２において水平方向に拡大し、アレイ導波路１２０３に入力する際には近似的に平面波となる。このとき溝１２０６Ａ〜１２０６Ｆにおいて、光波は角度θ屈折し、等位相面が角度θ傾斜した平面波としてアレイ導波路１２０３に結合する。図１７は、平面波がアレイ導波路へ結合する場合の結合損失と、平面波の等位相面傾きθとの関係性を示したものである。ここで、隣接するアレイ導波路の間隔は９μｍ、スラブ導波路１２０２との接続部におけるアレイ導波路１２０３のコア幅は８μｍとし、アレイ導波路１２０３はテーパ導波路によってコア幅４．５μｍに変換されているとする。平面波がアレイ導波路に対して傾いているほど結合損失が増大することが分かる。温度８０℃においてこのアサーマルＡＷＧの屈折角θ＝１．５度であるから、結合損失は０．７３ｄＢとなる。図よりθ＝０度での結合損失は０．４１ｄＢであるから、溝での屈折による損失増加は０．３２ｄＢである。これは低損失性を要求される光波長合分波器においては大きな損失要素となる。また、−４０℃において屈折角θ＝０．７度であるから、結合損失は０．４８ｄＢとなる。よって−４０〜８０℃の広い温度範囲でアサーマルＡＷＧを使用する場合、０．２５ｄＢの損失変動が生じてしまうことになる。

以上のように、従来技術におけるスラブ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧでは、チップサイズを小さく抑えたまま２回路を同一チップ上に配置して使用することが困難であった。また、広い温度範囲において低損失であり、かつ損失の温度変動が小さい特性を得ることが困難であった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、スラブ導波路に溝を形成する構成のアサーマルＡＷＧにおいて、スラブ導波路を交差する方法で２回路を同一チップに配置することを可能にした小型の光波長合分波回路を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、スラブ導波路に溝を形成する構成のアサーマルＡＷＧにおいて、溝を通過する光波の屈折角を低減してアレイ導波路との結合損失を抑制した光波長合分波回路を提供することにある。

本発明では、アサーマルＡＷＧにおいて溝を配置する位置が、従来技術のようにスラブ導波路の中央ではなく、入出力導波路に近い位置、または、アレイ導波路に近い位置であっても、ＡＷＧのアサーマル動作には影響しないことに着目した。入出力導波路またはアレイ導波路に近い位置に溝を配置することで、図１１のようにスラブ導波路を交差して２回路を同一チップに配置したとしても、一方のアサーマルＡＷＧの溝が、他方のアサーマルＡＷＧの光経路を阻害しないようにすることが可能である。

また本発明では特に、アレイ導波路に近い位置に溝を配置するほど、溝の開口角度の和Σα_iが減少することに着目した。なるべくアレイ導波路に近い位置に溝を配置することで、溝による光波の屈折角が低減し、アレイ導波路との結合損失を抑制することが可能である。

以上の考察を踏まえ、請求項１に記載の発明は、予め定めた光路長差で順次長くなる導波路を有するアレイ導波路と、前記アレイ導波路の両端部に接続された第１のスラブ導波路および第２のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に接続された第１の入出力導波路と、前記第２のスラブ導波路に接続された第２の入出力導波路とを備えるアレイ導波路回折格子型の波長合分波回路であって、前記第１のスラブ導波路および前記第２のスラブ導波路の少なくとも一方に、光波の進行方向に交差して導波路を分断する溝が配置され、前記溝には、前記溝が配置された導波路の実効屈折率の温度係数とは異なる屈折率温度係数を有する材料が充填されて、前記アレイ導波路において温度変化によって生ずる光路長差変化が相殺され、前記第１のスラブ導波路または前記第２のスラブ導波路面内において、前記溝が、中央よりも前記アレイ導波路に近い４０％の領域内で、かつ前記アレイ導波路の端部から５０μｍ以上離れた位置に配置されていることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、第１のアレイ導波路回折格子および第２のアレイ導波路回折格子で構成されたアレイ導波路回折格子型の波長合分波回路であって、各アレイ導波路回折格子は、予め定めた光路長差で順次長くなる導波路を有するアレイ導波路と、前記アレイ導波路の両端部に接続された第１のスラブ導波路および第２のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に接続された第１の入出力導波路と、前記第２のスラブ導波路に接続された第２の入出力導波路とを備え、前記第１のスラブ導波路および前記第２のスラブ導波路の少なくとも一方に、光波の進行方向に交差して導波路を分断する溝が配置され、前記溝には、前記溝が配置された導波路の実効屈折率の温度係数とは異なる屈折率温度係数を有する材料が充填されて、前記アレイ導波路において温度変化によって生ずる光路長差変化が相殺されるアレイ導波路回折格子であり、前記第１のアレイ導波路回折格子の第１のスラブ導波路および第２のスラブ導波路と、前記第２のアレイ導波路回折格子の第２のスラブ導波路および第１のスラブ導波路とは、それぞれ交差するように同一のチップ上に配置され、前記第１のアレイ導波路回折格子の第１のスラブ導波路または第２のスラブ導波路に配置された溝は、中央よりも前記アレイ導波路に近い位置、または中央よりも前記第１のアレイ導波路回折格子の第１の入出力導波路もしくは第２の入出力導波路に近い位置であり、かつ、前記溝が配置された前記第１のアレイ導波路回折格子のスラブ導波路と交差する前記第２のアレイ導波路回折格子のスラブ導波路を通過する光波を阻害しない位置に配置され、前記第２のアレイ導波路回折格子の第１のスラブ導波路または第２のスラブ導波路に配置された溝は、中央よりも前記アレイ導波路に近い位置、または中央よりも前記第２のアレイ導波路回折格子の第１の入出力導波路もしくは第２の入出力導波路に近い位置であり、かつ、前記溝が配置された前記第２のアレイ導波路回折格子のスラブ導波路と交差する前記第１のアレイ導波路回折格子のスラブ導波路を通過する光波を阻害しない位置に配置されていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記第１のアレイ導波路回折格子の第１のスラブ導波路または第２のスラブ導波路に配置された前記溝は、前記溝が配置された前記第１のアレイ導波路回折格子のスラブ導波路と交差する前記第２のアレイ導波路回折格子のスラブ導波路と接続された入出力導波路とアレイ導波路とを結ぶ全ての線分と重なっておらず、前記第２のアレイ導波路回折格子の第１のスラブ導波路または第２のスラブ導波路に配置された前記溝は、前記溝が配置された前記第２のアレイ導波路回折格子のスラブ導波路と交差する前記第１のアレイ導波路回折格子のスラブ導波路と接続された入出力導波路とアレイ導波路とを結ぶ全ての線分と重なっていないことを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１において、前記第１のスラブ導波路または前記第２のスラブ導波路面内において、前記溝が、前記アレイ導波路に近い２０％の領域内で、かつ前記アレイ導波路の端部から５０μｍ以上離れた位置に配置されていることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかにおいて、前記溝は、光波の進行方向に配列された複数の溝から構成されていることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項５において、前記複数の溝は、隣り合う溝の端面から端面までが一定距離であるように配列されていることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれかにおいて、前記アレイ導波
路、前記第１のスラブ導波路および前記第２のスラブ導波路、ならびに前記第１の入出力
導波路および前記第２の入出力導波路は、石英系ガラスで構成され、前記溝に充填された
材料は、光学樹脂であることを特徴とする。

本発明によれば、スラブ導波路に配置された溝の位置をスラブ導波路の中央からずらすことにより、以下の効果が得られる。

第１に、第１のアレイ導波路回折格子および第２のアレイ導波路回折格子で構成されたアレイ導波路回折格子型の波長合分波回路において、第１のアレイ導波路回折格子の第１のスラブ導波路および第２のスラブ導波路と、第２のアレイ導波路回折格子の第２のスラブ導波路および第１のスラブ導波路とをそれぞれ交差するように同一のチップ上に配置し、かつ、スラブ導波路の配置された溝を、そのスラブ導波路と交差する他方のアレイ導波路回折格子のスラブ導波路を通過する光波を阻害しないように中央からずれた位置に配置することにより、スラブ導波路に溝を形成する構成のアサーマルＡＷＧにおいて、スラブ導波路を交差する方法で２回路を同一チップに配置することを可能にした小型の光波長合分波回路を提供することができる。

第２に、温度補償材料を充填するためにスラブ導波路に設けられた溝の位置を、中央よりもそのスラブ導波路に接続されたアレイ導波路に近い位置にすることにより、スラブ導波路に溝を形成する構成のアサーマルＡＷＧにおいて、溝を通過する光波の屈折角を低減してアレイ導波路との結合損失を抑制した光波長合分波回路を提供することができる。

［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施形態に係るアサーマルＡＷＧタイプの光波長合分波回路について図１〜５を参照して説明する。図１は、回路の構成を示した平面図である。ここで、１０１は第１の入出力導波路、１０２は第１のスラブ導波路、１０３はアレイ導波路、１０４は第２のスラブ導波路、１０５は第２の入出力導波路、１０６は第１のスラブ導波路１０２上に形成された溝であり、温度補償材料としてシリコーン樹脂が充填されている。アレイ導波路１０３のｉ番目の導波路の光路長Ｌ_iは、Ｌ_i＝Ｌ_l＋（ｉ−１）・ΔＬと表され、一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。これに応じて、各アレイ導波路を通過する光波が、溝１０６によって第１のスラブ導波路１０２において分断される長さＬ_i’はＬ_i’＝Ｌ_l’＋（ｉ−１）・ΔＬ’と表され、ΔＬに比例した量ΔＬ’ずつ順次長くなるような形状をしている。各導波路は、比屈折率差１．５％、コア厚４．５μｍの石英系ガラス導波路であり、入出力導波路１０１、１０５、およびアレイ導波路１０３のコア幅は４．５μｍである。回路は波長チャネル数４０、波長チャネル間隔０．４ｎｍ（５０ＧＨｚ）の特性を有し、アレイ導波路１０３の本数は１５０本、ΔＬは６８μｍ、ΔＬ’は２．３μｍ、第１のスラブ導波路１０２の長さは６０８０μｍ、第１のスラブ導波路１０２との接続部におけるアレイ導波路１０３の間隔は９μｍであり、アレイ導波路のコア幅はテーパ導波路によって８μｍに拡大されている。本実施形態においては、溝１０６は第１のスラブ導波路１０２の中央ではなく、アレイ導波路１０３寄りに配置されている。

図２は、図１における第１のスラブ導波路１０２とその近傍を拡大して示す平面図である。本実施形態において、溝は６つの部分１０６Ａ〜１０６Ｆに分割されており、光波の進行方向に対して各溝は等幅で、かつ各溝の中心線の間隔が一定であるように配置されている。ここで各溝の中心線の間隔は６０μｍとしている。図に示すように、溝１０６Ａ〜１０６Ｆは、その座標中心が第１の入出力導波路１０１と第１のスラブ導波路１０２の接続部から距離β×ｆの位置に配置されている。ここでｆは第１のスラブ導波路１０２の長さであり、従来のアサーマルＡＷＧにおいてはβ＝０．５であったが、アレイ導波路１０３寄りに溝１０６Ａ〜１０６Ｆが配置される本実施形態においては、β＞０．５である。

ここで、アレイ導波路１０３の本数をＮ、アレイ導波路１０３の第１のスラブ導波路１０２との接続部における間隔をｄとすると、溝の開口角度の和Σα_iは、

と表される。本実施形態における設計値ΔＬ’＝２．３μｍ、ｄ＝９μｍを与えてえられるΣα_iのβ依存性を図３（Ａ）に示す。本実施形態のようにβ＞０．５とすることによって、Σα_iは減少してゆく。また第１のスラブ導波路１０２の実効屈折率温度依存性、および溝１０６Ａ〜１０６Ｆに充填されているシリコーン樹脂の屈折率温度依存性は、図１５と同様であり、これと式（１）から、溝１０６Ａ〜１０６Ｆにおける屈折角θの温度依存性が得られる。図３（Ｂ）は、β＝０．５、０．６、０．７、０．８、０．９におけるθの温度依存性を示したものである。ここで、第１のスラブ導波路１０２を進行する光波が溝１０６Ａ〜１０６Ｆにおいて角度θで屈折し、等位相面がθ傾斜した平面波としてアレイ導波路１０３に結合するときの結合損失は、図１７と同様である。よって、例えばβ＝０．６の場合、温度８０℃において屈折角θ＝１．１５度であるから、結合損失は０．６０ｄＢとなる。図１７よりθ＝０度での結合損失は０．４１ｄＢであるから、溝での屈折による損失増加は０．１９ｄＢであり、従来のアサーマルＡＷＧよりも減少する。また−４０℃においては屈折角θ＝０．５５度であるから、結合損失は０．４６ｄＢであり、−４０〜８０℃での損失変動は０．１４ｄＢとなるから、損失変動についても従来のアサーマルＡＷＧより減少する。また別の例としてβ＝０．８の場合には、温度８０℃において屈折角θ＝０．８５度であるから、結合損失は０．５１ｄＢとなり、溝での屈折による損失増加は０．１ｄＢであって、β＝０．６の場合よりも更に結合損失が減少する。また−４０℃においては屈折角θ＝０．４度であるから、結合損失は０．４３ｄＢ、−４０〜８０℃での損失変動は０．０８ｄＢとなり、損失変動についてもβ＝０．６の場合よりも更に減少する。

低損失性、および低損失変動が求められるアサーマルＡＷＧタイプの光波長合分波回路においては、溝での屈折による損失増加および損失の温度変動は０．２ｄＢ以下であることが好ましい。これは本実施形態におけるβの条件としてはβ≧０．６に相当する。すなわち第１のスラブ導波路１０２において、溝１０６は、アレイ導波路１０３近い４０％の領域内の位置に配置されていることが好ましい。また場合によって極めて優れた低損失特性が求められる仕様においては、溝での屈折による損失増加および損失の温度変動は０．１ｄＢ以下であることが更に好ましい。これは本実施形態におけるβの条件としてはβ≧０．８に相当する。すなわち第１のスラブ導波路１０２において、溝１０６は、アレイ導波路１０３近い２０％の領域内の位置に配置されていることが更に好ましい。また溝１０６とアレイ導波路１０３の間には、少なくとも５０μｍのスラブ導波路が存在することが好ましい。これは溝１０６を通過した光波が、スラブ導波路の伝播モードに結合せずにアレイ導波路に入力すると、大きな損失を生じる可能性があるためである。上述した光波がスラブ導波路の伝播モードに完全に遷移するには、少なくともスラブ導波路を５０μｍ以上伝播する必要があると考えられる。

また本実施形態における、溝１０６の分割配置方法であるが、図２では、光波の進行方向に対して分割された各溝１０６Ａ〜１０６Ｆは等幅で、かつ各溝の中心線の間隔が一定であるように配置する方法を示した。この方法は特許文献２に開示されている。別の分割方法として、図４および図５の方法がある。図４は、図２と同様に各溝１０６Ａ〜１０６Ｆは等幅で、各溝の間に残された導波路の幅が一定であるように配置する方法で、図２の配置より、干渉による放射損失の抑制効果がより顕著な配置と考えられている。換言すると、隣り合う溝の端面から端面までが一定距離であるように配列されている。ここで各溝の間に残された導波路の幅は３０μｍとしている。図５は、図４と同様に各溝１０６Ａ〜１０６Ｆの間に残された導波路の幅が一定で、端に位置する溝ほど溝幅が狭くなるよう配置する方法で、干渉の効果が小さい端の溝では比較的放射を小さくすることで、図４の配置より、さらに放射損失を低減できる配置であると考えられている。ここで各溝の間に残された導波路の幅は３０μｍとし、溝１０６Ａ〜１０６Ｆの幅の比率は１：１．５：２：２：１．５：１としている。溝の配置方法は異なるが、図４および図５の溝１０６Ａ〜１０６Ｆにおける溝の開口角度の和Σα_iは、図２の溝配置の場合と全く同様である。よって、図４および図５の溝配置の場合でも、β＞０．５の位置に溝１０６Ａ〜１０６Ｆを配置することにより、本実施形態における損失および損失温度依存性の改善効果が同様に得られる。

［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施形態に係るアサーマルＡＷＧタイプの光波長合分波回路について図６を参照して説明する。図６は、回路の構成を示した平面図である。本実施形態においては、２つのアサーマルＡＷＧを同一チップ６０７上に集積している。ここで、６０１、６１１は第１の入出力導波路、６０２、６１２は第１のスラブ導波路、６０３、６１３はアレイ導波路、６０４、６１４は第２のスラブ導波路、６０５、６１５は第２の入出力導波路、６０６、６１６は第１のスラブ導波路６０２、６１２にそれぞれ形成された溝であり、温度補償材料としてシリコーン樹脂が充填されている。２つのアサーマルＡＷＧは、第１及び第２のスラブ導波路の両方において、導波路を交差して配置されている。アレイ導波路６０３、６１３のｉ番目の導波路の長さＬ_iは、Ｌ_i＝Ｌ_l＋（ｉ−１）・ΔＬと表され、一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。これに応じて、各アレイ導波路を通過する光波が、溝６０６、６１６によって第１のスラブ導波路６０２、６１２において分断される長さＬ_i’はＬ_i’＝Ｌ_l’＋（ｉ−１）・ΔＬ’と表され、ΔＬに比例した量ΔＬ’ずつ順次長くなるような形状をしている。２つのアサーマルＡＷＧは同一設計である。各導波路は、比屈折率差１．５％、コア厚４．５μｍの石英系ガラス導波路であり、第１、第２の入出力導波路およびアレイ導波路のコア幅は４．５μｍである。回路は波長チャネル数４０、波長チャネル間隔０．４ｎｍ（５０ＧＨｚ）の特性を有し、アレイ導波路本数は１５０本、ΔＬは６８μｍ、ΔＬ’は２．３μｍ、第１、第２のスラブ導波路の長さは６０８０μｍ、第１のスラブ導波路との接続部におけるアレイ導波路の間隔は９μｍであり、アレイ導波路のコア幅はテーパ導波路によって８μｍに拡大されている。

本実施形態において、溝６０６は第１のスラブ導波路６０２の中央ではなく、アレイ導波路６０３寄りに配置されている。ここで溝６０６は十分にアレイ導波路６０３寄りに配置されているため、交差する他方のアサーマルＡＷＧの第２の入出力導波路６１５の全てとアレイ導波路６１３の全てとをそれぞれ結んだ線分で占められる領域Ｐと重ならない。よって、第２のスラブ導波路６１５を通過する光波は、溝６０６によって阻害されることは無く、本発明の光波長合分波回路においては、２つのアサーマルＡＷＧが共に問題なく動作する。

［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施形態に係るアサーマルＡＷＧタイプの光波長合分波回路について図７を参照して説明する。図７は回路の構成を示した平面図である。本実施形態においては、２つのアサーマルＡＷＧを同一チップ７０７上に集積している。ここで、７０１、７１１は第１の入出力導波路、７０２、７１２は第１のスラブ導波路、７０３、７１３はアレイ導波路、７０４、７１４は第２のスラブ導波路、７０５、７１５は第２の入出力導波路、７０６、７１６は第１のスラブ導波路７０２、７１２にそれぞれ形成された溝であり、温度補償材料としてシリコーン樹脂が充填されている。２つのアサーマルＡＷＧは、第１及び第２のスラブ導波路の両方において、導波路を交差して配置されている。アレイ導波路７０３、７１３のｉ番目の導波路の長さＬ_iは、Ｌ_i＝Ｌ_l＋（ｉ−１）・ΔＬと表され、一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。これに応じて、各アレイ導波路を通過する光波が、溝７０６、７１６によって第１のスラブ導波路７０２、７１２において分断される長さＬ_i’はＬ_i’＝Ｌ_l’＋（ｉ−１）・ΔＬ’と表され、ΔＬに比例した量ΔＬ’ずつ順次長くなるような形状をしている。２つのアサーマルＡＷＧは同一設計である。各導波路は、比屈折率差１．５％、コア厚４．５μｍの石英系ガラス導波路であり、第１、第２の入出力導波路およびアレイ導波路のコア幅は４．５μｍである。回路は波長チャネル数４０、波長チャネル間隔０．４ｎｍ（５０ＧＨｚ）の特性を有し、アレイ導波路本数は１５０本、ΔＬは６８μｍ、ΔＬ’は２．３μｍ、第１、第２のスラブ導波路の長さは６０８０μｍ、第１のスラブ導波路との接続部におけるアレイ導波路の間隔は９μｍであり、アレイ導波路のコア幅はテーパ導波路によって８μｍに拡大されている。

本実施形態において、溝７０６は第１のスラブ導波路７０２の中央ではなく、第１の入出力導波路７０１寄りに配置されている。ここで溝７０６は十分に第１の入出力導波路７０１寄りに配置されているため、交差する他方のアサーマルＡＷＧの第２の入出力導波路７１５の全てとアレイ導波路７１３の全てとをそれぞれ結んだ線分で占められる領域Ｐと重ならない。よって、第２のスラブ導波路７１５を通過する光波は、溝７０６によって阻害されることは無く、本発明の光波長合分波回路においては、２つのアサーマルＡＷＧが共に問題なく動作する。

［第４の実施の形態］
本発明の第４の実施形態に係るアサーマルＡＷＧタイプの光波長合分波回路について図８を参照して説明する。図８は、回路の構成を示した平面図である。本実施形態においては、２つのアサーマルＡＷＧを同一チップ８０７上に集積している。ここで、８０１、８１１は第１の入出力導波路、８０２、８１２は第１のスラブ導波路、８０３、８１３はアレイ導波路、８０４、８１４は第２のスラブ導波路、８０５、８１５は第２の入出力導波路、８０６、８１６は第１のスラブ導波路８０２、８１２にそれぞれ形成された溝であり、温度補償材料としてシリコーン樹脂が充填されている。２つのアサーマルＡＷＧは、第１及び第２のスラブ導波路の両方において、導波路を交差して配置されている。アレイ導波路８０３、８１３のｉ番目の導波路の長さＬ_iは、Ｌ_i＝Ｌ_l＋（ｉ−１）・ΔＬと表され、一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。これに応じて、各アレイ導波路を通過する光波が、溝８０６、８１６によって第１のスラブ導波路８０２、８１２において分断される長さＬ_i’はＬ_i’＝Ｌ_l’＋（ｉ−１）・ΔＬ’と表され、ΔＬに比例した量ΔＬ’ずつ順次長くなるような形状をしている。２つのアサーマルＡＷＧは同一設計である。各導波路は、比屈折率差１．５％、コア厚４．５μｍの石英系ガラス導波路であり、第１、第２の入出力導波路およびアレイ導波路のコア幅は４．５μｍである。回路は波長チャネル数４０、波長チャネル間隔０．４ｎｍ（５０ＧＨｚ）の特性を有し、アレイ導波路本数は１５０本、ΔＬは６８μｍ、ΔＬ’は２．３μｍ、第１、第２のスラブ導波路の長さは６０８０μｍ、第１のスラブ導波路との接続部におけるアレイ導波路の間隔は９μｍであり、アレイ導波路のコア幅はテーパ導波路によって８μｍに拡大されている。

本実施形態において、溝８０６は複数に分割されており、これにより単一の溝よりも放射損失を低減することが可能である。また溝８０６は第１のスラブ導波路８０２の中央ではなく、アレイ導波路８０３寄りに配置されている。ここで溝８０６は十分にアレイ導波路８０３寄りに配置されているため、交差する他方のアサーマルＡＷＧの第２の入出力導波路８１５の全てとアレイ導波路８１３の全てとをそれぞれ結んだ線分で占められる領域Ｐと重ならない。よって、第２のスラブ導波路８１５を通過する光波は、溝８０６によって阻害されることは無く、本発明の光波長合分波回路においては、２つのアサーマルＡＷＧが共に問題なく動作する。

［まとめ］
以上４つの実施形態から、本発明のアサーマルＡＷＧタイプの光波長合分波回路によれば、スラブ導波路に溝を形成する構成のアサーマルＡＷＧにおいて、スラブ導波路を交差する方法で２回路を同一チップに配置することを可能にし、２回路集積タイプで小型の光波長合分波回路、あるいは統計的に特性の優れた小型の光波長合分波回路を提供することが可能である。また、溝を通過する光波の屈折角を低減してアレイ導波路との結合損失を抑制し、広い温度範囲において低損失かつ損失の温度変動が小さい特性を有する、光波長合分波回路を提供することが可能である。

全ての実施形態では、第１のスラブ導波路に溝を形成し温度補償材料を充填する構成を示したが、本発明の適用範囲は、この構成に限定されるものではなく、溝を第２のスラブ導波路に形成する構成、および第１及び第２のスラブ導波路の両方に形成する構成においても、同様に効果を得ることができる。

全ての実施形態では、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。

全ての実施形態では、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。

全ての実施形態では、温度補償材料としてシリコー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く、導波路の実効屈折率温度依存性と異なる屈折率温度依存性を有する材料を適用したアサーマルＡＷＧにおいて、同様に効果を得ることができる。温度補償材料として、エポキシ樹脂、フッ素樹脂等の光学樹脂の使用が考えられる。

第１の実施形態では、溝の分割数を特定の値に限定したが、本発明の適用範囲は、この数に限定さるものではない。

本発明の第１の実施形態に係る光波長合分波回路の構成を示した平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る光波長合分波回路において、図１の第１のスラブ導波路１０２とその近傍を拡大して示した平面図である。 （Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光波長合分波回路において、図２における溝１０６Ａ〜１０６Ｆの開口角度の和Σα_iの溝位置を表すパラメータβに対する依存性を示した図であり、（Ｂ）は、溝位置を表すパラメータβがβ＝０．５、０．６、０．７、０．８、０．９の場合の溝における光波の屈折角θの温度依存性を示した図である。 本発明の第１の実施形態に係る光波長合分波回路において、図１の第１のスラブ導波路１０２の変形形態を示した平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る光波長合分波回路において、図１の第一のスラブ導波路１０２の変形形態を示した平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る光波長合分波回路の構成を示した平面図である。 本発明の第３の実施形態に係る光波長合分波回路の構成を示した平面図である。 本発明の第４の実施形態に係る光波長合分波回路の構成を示した平面図である。 従来技術における、アレイ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧの構成を示す平面図である。 図９のアサーマルＡＷＧのＸ−Ｘ線に沿った断面図である。 従来技術における、アレイ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧを、同一チップ上に２回路配置した場合の構成を示す平面図である。 （Ａ）は、従来技術における、第１のスラブ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧの構成を示す平面図であり、（Ｂ）は、第２のスラブ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧの構成を示す平面図であり、（Ｃ）は、両方のスラブ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧの構成を示す平面図である。 図１２（Ａ）のアサーマルＡＷＧのＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿った断面図である。 従来技術における、第１のスラブ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧにおいて、図１２（Ａ）の第１のスラブ導波路１２０２とその近傍を拡大して示した平面図である。 ＡＷＧを構成する石英系ガラス導波路の実効屈折率の温度依存性、および温度補償材料の屈折率の温度依存性を示した図である。 従来技術における、第１のスラブ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧにおいて、図１５のシリコーン樹脂を充填した溝における光波の屈折角を示した図である。 ＡＷＧにおいて、スラブ導波路を伝播する平面波とアレイ導波路との結合損失と、平面波の傾きθとの関係性を示した図である。

符号の説明

１０７、６０７、７０７、８０７、９０７、１２０７ 波長合分波回路
１０１、６０１、６１１、７０１、７１１、８０１、８１１、９０１、９１１、１２０１ 第１の入出力導波路
１０２、６０２、６１２、７０２、７１２、８０２、８１２、９０２、９１２、１２０２ 第１のスラブ導波路
１０３、６０３、６１３、７０３、７１３、８０３、８１３、９０３、９１３、１２０３ アレイ導波路
１０４、６０４、６１４、７０４、７１４、８０４、８１４、９０４、９１４、１２０４ 第２のスラブ導波路
１０５、６０５、６１５、７０５、７１５、８０５、８１５、９０５、９１５、１２０５ 第２の入出力導波路
１０６、６０６、６１６、７０６、７１６、８０６、８１６、９０６、９１６、１２０６ 溝
９０８、１２０８ シリコン基板
９０９、１２０９ 導波路コア
９１０、１２１０ クラッド

Claims (7)

1. 予め定めた光路長差で順次長くなる導波路を有するアレイ導波路と、
   前記アレイ導波路の両端部に接続された第１のスラブ導波路および第２のスラブ導波路と、
   前記第１のスラブ導波路に接続された第１の入出力導波路と、
   前記第２のスラブ導波路に接続された第２の入出力導波路と
   を備えるアレイ導波路回折格子型の波長合分波回路であって、
   前記第１のスラブ導波路および前記第２のスラブ導波路の少なくとも一方に、光波の進行方向に交差して導波路を分断する溝が配置され、
   前記溝には、前記溝が配置された導波路の実効屈折率の温度係数とは異なる屈折率温度係数を有する材料が充填されて、前記アレイ導波路において温度変化によって生ずる光路長差変化が相殺され、
   前記第１のスラブ導波路または前記第２のスラブ導波路面内において、前記溝が、中央よりも前記アレイ導波路に近い４０％の領域内で、かつ前記アレイ導波路の端部から５０μｍ以上離れた位置に配置されていることを特徴とする光波長合分波回路。
2. 第１のアレイ導波路回折格子および第２のアレイ導波路回折格子で構成されたアレイ導波路回折格子型の波長合分波回路であって、
   各アレイ導波路回折格子は、
   予め定めた光路長差で順次長くなる導波路を有するアレイ導波路と、
   前記アレイ導波路の両端部に接続された第１のスラブ導波路および第２のスラブ導波路と、
   前記第１のスラブ導波路に接続された第１の入出力導波路と、
   前記第２のスラブ導波路に接続された第２の入出力導波路とを備え、
   前記第１のスラブ導波路および前記第２のスラブ導波路の少なくとも一方に、光波の進行方向に交差して導波路を分断する溝が配置され、
   前記溝には、前記溝が配置された導波路の実効屈折率の温度係数とは異なる屈折率温度係数を有する材料が充填されて、前記アレイ導波路において温度変化によって生ずる光路長差変化が相殺されるアレイ導波路回折格子であり、
   前記第１のアレイ導波路回折格子の第１のスラブ導波路および第２のスラブ導波路と、前記第２のアレイ導波路回折格子の第２のスラブ導波路および第１のスラブ導波路とは、それぞれ交差するように同一のチップ上に配置され、
   前記第１のアレイ導波路回折格子の第１のスラブ導波路または第２のスラブ導波路に配置された溝は、中央よりも前記アレイ導波路に近い位置、または中央よりも前記第１のアレイ導波路回折格子の第１の入出力導波路もしくは第２の入出力導波路に近い位置であり、かつ、前記溝が配置された前記第１のアレイ導波路回折格子のスラブ導波路と交差する前記第２のアレイ導波路回折格子のスラブ導波路を通過する光波を阻害しない位置に配置され、
   前記第２のアレイ導波路回折格子の第１のスラブ導波路または第２のスラブ導波路に配置された溝は、中央よりも前記アレイ導波路に近い位置、または中央よりも前記第２のアレイ導波路回折格子の第１の入出力導波路もしくは第２の入出力導波路に近い位置であり、かつ、前記溝が配置された前記第２のアレイ導波路回折格子のスラブ導波路と交差する前記第１のアレイ導波路回折格子のスラブ導波路を通過する光波を阻害しない位置に配置されていることを特徴とする光波長合分波回路。
3. 前記第１のアレイ導波路回折格子の第１のスラブ導波路または第２のスラブ導波路に配置された前記溝は、前記溝が配置された前記第１のアレイ導波路回折格子のスラブ導波路と交差する前記第２のアレイ導波路回折格子のスラブ導波路と接続された入出力導波路とアレイ導波路とを結ぶ全ての線分と重なっておらず、
   前記第２のアレイ導波路回折格子の第１のスラブ導波路または第２のスラブ導波路に配置された前記溝は、前記溝が配置された前記第２のアレイ導波路回折格子のスラブ導波路と交差する前記第１のアレイ導波路回折格子のスラブ導波路と接続された入出力導波路とアレイ導波路とを結ぶ全ての線分と重なっていないことを特徴とする請求項２に記載の光波長合分波回路。
4. 前記第１のスラブ導波路または前記第２のスラブ導波路面内において、前記溝が、前記アレイ導波路に近い２０％の領域内で、かつ前記アレイ導波路の端部から５０μｍ以上離れた位置に配置されてい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。
5. 前記溝は、光波の進行方向に配列された複数の溝から構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光波長合分波回路。
6. 前記複数の溝は、隣り合う溝の端面から端面までが一定距離であるように配列されていることを特徴とする請求項５に記載の光波長合分波回路。
7. 前記アレイ導波路、前記第１のスラブ導波路および前記第２のスラブ導波路、ならびに前記第１の入出力導波路および前記第２の入出力導波路は、石英系ガラスで構成され、
   前記溝に充填された材料は、光学樹脂であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光波長合分波回路。

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