JP5117417B2

JP5117417B2 - 光波長合分波回路およびその透過波形調整方法

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Publication number: JP5117417B2
Application number: JP2009015812A
Authority: JP
Inventors: 新亀井; 勤鬼頭; 拓也田中
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2029-01-27
Also published as: JP2010175646A

Description

本発明は、光波長合分波回路およびその透過波形調整方法に関し、詳しくは、平坦な透過帯域を有する光波長合分波器およびその透過波形調整方法に関する。

ブロードバンド通信サービスの普及により、光通信ネットワークの大容量化要求がますます高まっている中、多数の光波長信号を一括に伝送する光波長多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）伝送は、ネットワークの伝送容量を飛躍的に増大させる技術として重要である。一方、シリコン等の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（Planar Lightwave Circuit:ＰＬＣ）は、多様な光デバイスの基盤技術として盛んに研究開発が行われている。かかる石英系ＰＬＣ技術を利用したアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）は、多数の光波長を合波あるいは分波する機能を有し、ＷＤＭ伝送における光波長合分波器として非常に重要な役割を果たしている。

ＷＤＭ伝送においては、光源の信号光波長が多少変動しても、その損失はなるべく変動しないことが望ましい。また、より高速な変調信号を劣化なく伝送するためには、一定の波長域に広がった変調成分をも損失なく透過することが望ましい。したがって、光波長合分波器としてのＡＷＧには、広く平坦な通過帯域を有するフラット型ＡＷＧが求められる。

図２２は、従来のＡＷＧの構成例を示す平面図である。ＡＷＧ４１００は、入力導波路４１０１、第１のスラブ導波路４１０２、アレイ導波路４１０３、第２のスラブ導波路４１０４、および出力導波路４１０５を備えている。図２３は、図２２の線分ＢＢ’での断面図である。図に示すように、シリコン基板４２０３に、導波路コア４２０１、クラッド４２０２が設けられている。

入力導波路４１０１のあるポートから入射した光波は、第１のスラブ導波路で拡大され、アレイ導波路４１０３に入射する。アレイ導波路４１０３の各導波路は、その光路長が一定の光路長差で順次長くなるように設定されており、各導波路を伝播した光波には一定の位相差が付与されて第２のスラブ導波路４１０４に入射する。これら入射した光波は、第２のスラブ導波路４１０４で干渉し、出力導波路４１０５に接続する端面に集光する。このとき、アレイ導波路４１０３で付与される位相差は波長に依存する。すなわち、波長によって等位相面の傾きが異なるため、第２のスラブ導波路４１０４での集光位置も波長に依存する。したがって、出力導波路４１０５には、第２のスラブ導波路４１０４との接続位置に対応した波長の光波が入射し、各ポートに分波される。

ＷＤＭ伝送においては、入力導波路４１０１に入力された波長多重信号は、各波長の信号に分波されて出力導波路４１０５の各ポートに出力される。逆に、出力導波路４１０５の各ポートに入力された各波長の信号は、波長多重信号に合波されて入力導波路４１０１のあるポートに出力される。

かかるＡＷＧにおいては、入力導波路４１０１の第１のスラブ導波路４１０２との接続界面に励起されている光フィールドと、出力導波路４１０５の第２のスラブ導波路４１０４との接続界面に励起される光フィールドのパワーオーバーラップ積分が透過スペクトルとなる。通常、これらの光フィールドは基底モード光のみが励起されており、透過スペクトル波形はガウス関数形状となる。しかし、入力導波路４１０１の第１のスラブ導波路４１０２への接続部分にパラボラテーパ導波路（特許文献１に開示）を設け、基底モード光の一部を２次モード光に変換して光フィールドを変形することで、フラット型ＡＷＧが実現されている。

特許第３１１２２４６号公報 Y. Hibino, et al., "Optical frequency tuning by laser-irradiation in silica-based March-Zehnder-type multi/demultiplexers," PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol.3, pp.640-642, 1991. J. Leuthold, et al., "Multimode Interference Couplers for the Conversion and Combining of Zero- and First-Order Modes," JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.16, pp.1228-1238, 1998. M. Abe, et al., "Optical path length trimming technique using thin film heaters for silica-based waveguides on Si," ELECTRONICS LETTERS, Vol.32, pp.1818-1820, 1996.

実際にＡＷＧを製造する場合には、アレイ導波路において付与される一定の位相差に少なからず誤差が発生する。これは導波路コアにおける屈折率や、コアの幅、コアの厚さの不均一性がその主要因である。このような位相誤差は、フラット型ＡＷＧの透過スペクトル波形に影響を与える。特に、各アレイ導波路に対する位相誤差が、中央のアレイ導波路に関して非対称である場合は、透過帯域の中心部において透過率の傾きが生じ、平坦性が劣化する。

図２４に、各アレイ導波路における位相誤差分布の一例を示す。図のように、位相誤差は、３次関数で良く近似される、中央のアレイ導波路に関して非対称な分布であり、図２４には、誤差の大きさによりＩ、ＩＩ、ＩＩＩの３種類を示している。横軸のアレイ導波路番号は、負が内側のアレイ導波路、正が外側のアレイ導波路、ゼロが中央のアレイ導波路を示している。図２５は、フラット型ＡＷＧの透過スペクトル波形の一例を示したグラフであり、図２４の位相誤差ＩＩの場合（実線）を位相誤差がない場合（点線）とともに示している。また、図２６は、図２５の透過スペクトルの先端を拡大したものである。

本例においては、クラッドの屈折率を１．４４４２５、導波路の比屈折率差Δを１．５％、導波路コアの厚さは４．５μｍ、とした。また、ＡＷＧの設計は合分波波長間隔０．８ｎｍ（光周波数間隔１００ＧＨｚ）とし、隣接アレイ導波路の経路長差ΔＬを３３．９μｍ、アレイ導波路の本数を２５０本、第１および第２のスラブ導波路の長さを８１００μｍ、出力導波路は、第２のスラブ導波路に接続する部分において１６μｍ間隔で配置されている。また、第１のスラブ導波路に接続するパラボラテーパ導波路は、長さ１５０μｍ、開口端部の幅１６μｍとし、第２のスラブ導波路に接続する出力導波路の直線テーパ導波路の幅を８μｍとした。位相誤差が無い場合には、透過スペクトル波形は透過中心波長付近で平坦であるが、位相誤差がある場合には、透過スペクトル波形が傾斜し、透過帯域の平坦性が劣化しているのがわかる。

このように、実際にフラット型ＡＷＧを製造する場合には、アレイ導波路において少なからず位相誤差が発生し、特に中央のアレイ導波路に関して非対称な位相誤差である場合には、透過中心波長付近において透過率の傾きが生じ、平坦性が劣化する。よって、位相誤差の程度によっては、期待される平坦な透過波形が実現できず、フラット型ＡＷＧとして求められる光学特性を歩留まり良く得ることができないという問題があった。

本発明は、かかる問題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、透過スペクトル波形を調整可能な光波長合分波回路およびその調整方法を提供することである。これにより、光波長合分波回路において、製造誤差等によって、アレイ導波路に位相誤差が生じ、またその位相誤差が回路によって変動するような場合であっても、平坦な透過帯域特性を安定的に得ることができる。

上述の課題を解消するにあたって、一旦回路を製造した後に、透過スペクトル波形の傾斜を変化させ、平坦な透過波形に調整するという手段が望ましいと考えられる。このような透過波形の変化をＡＷＧにおいて得るために、本発明においては、ＡＷＧの入力導波路の第１のスラブ導波路への接続部に励起されている光モードに着目した。

従来技術による、透過スペクトルが平坦化されたＡＷＧにおいては、入力導波路に接続するパラボラ形状等のテーパ導波路によってある強度比で２次モード光が励起され、第１のスラブ導波路への接続部においてそのフィールドは対称な双峰状である。他方、出力導波路では基底モード光のみが存在し、第２のスラブ導波路への接続部においては単峰状のフィールドである。そして、ＡＷＧの透過スペクトルは両光フィールドのパワーオーバーラップ積分で決まり、平坦な波形となる。

ここで、入力導波路側の光フィールドに、特定の強度比で更に１次モード光が混在した場合、フィールドは非対称な双峰状となり、その非対称性は基底および２次モード光と１次モード光の位相差により決まる。このフィールドが非対称になると、ＡＷＧの透過スペクトルにおいては波形の傾斜となって表れる。

したがって、入力導波路において所定の強度比の１次モード光が励起されており、かつ適当な機構により、その１次モード光と基底および２次モード光の位相差を変化させることができれば、従来技術によるフラット型ＡＷＧにおいて、更に透過スペクトルの波形傾斜の変動を生じさせ、アレイ導波路の位相誤差に起因する波形傾斜を補償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、第１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複数の導波路からなるアレイ導波路と、前記アレイ導波路の複数の導波路に接続された第２のスラブ導波路とを備えたアレイ導波路回折格子と、光スプリッタと、前記光スプリッタに接続された第１および第２のアーム導波路と、前記第１および第２のアーム導波路に接続された光モード合成カプラであって、前記第１のアーム導波路から入力される基底モード光を１次モードに結合させ、前記第２のアーム導波路から入力される基底モード光を基底モードに結合させる光モード合成カプラと、前記光モード合成カプラに接続され、２次モード光を励起するテーパ導波路であって、前記第１のスラブ導波路にさらに接続されたテーパ導波路とを備え、前記テーパ導波路は、基底および１次モード光が伝播し、２次モード光が伝播しないマルチモード導波路を介して前記光モード合成カプラに接続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、請求項１に記載の光波長合分波回路であって、前記第１および第２のアーム導波路の少なくとも一方を加熱するヒータをさらに備えたことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の光波長合分波回路であって、前記光モード合成カプラは、幅の異なる２本の導波路から構成される方向性結合器であることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の光波長合分波回路であって、前記光モード合成カプラは、幅の異なる２本の導波路から構成され、幅の狭い方の導波路は、幅が徐々に減少して終端し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のいずれかに記載の光波長合分波回路であって、前記光スプリッタは、波長無依存カプラ（ＷＩＮＣ）により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１から５のいずれかに記載の光波長合分波回路であって、前記アレイ導波路回折格子およびその他の導波路は、石英系導波路により構成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、第１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複数の導波路からなるアレイ導波路と、前記アレイ導波路の複数の導波路に接続された第２のスラブ導波路とを備えたアレイ導波路回折格子と、光スプリッタと、前記光スプリッタに接続された第１および第２のアーム導波路と、前記第１および第２のアーム導波路に接続された光モード合成カプラであって、前記第１のアーム導波路から入力される基底モード光を１次モードに結合させ、前記第２のアーム導波路から入力される基底モード光を基底モードに結合させる光モード合成カプラと、前記光モード合成カプラに接続され、２次モード光を励起するテーパ導波路であって、前記第１のスラブ導波路にさらに接続されたテーパ導波路とを備え、前記テーパ導波路は、基底および１次モード光が伝播し、２次モード光が伝播しないマルチモード導波路を介して前記光モード合成カプラに接続されている光波長合分波回路において、透過スペクトル波形を調整する方法であって、前記第１のアーム導波路と第２のアーム導波路の間の光路長差を変化させて、前記２次モードを励起するテーパ導波路の開口端での基底および２次モード光に対する１次モード光の位相差を変化させることを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の方法であって、前記第１および第２のアーム導波路の少なくとも一方に紫外光を照射してその実効屈折率を変化させることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項７に記載の方法であって、前記第１および第２のアーム導波路の少なくとも一方を加熱してその実効屈折率を非可逆的に変化させることを特徴とする。

本発明により、光波長合分波回路において、透過スペクトル波形の傾斜が製造誤差等により変動するような場合であっても、平坦な透過帯域特性を安定的に得ることができる。

本発明の一実施形態にかかるＡＷＧ型光波長合分波回路の構成例を示す図である。本発明の一実施形態にかかるＡＷＧ型光波長合分波回路において、第１のスラブ導波路に接続するテーパ導波路の開口端に生成される基底、１次、および２次モード光のフィールド形状を示す図である。図２に示す基底、１次、および２次モード光の合成フィールドの変化を示す図である。図３に示す合成フィールドに対応するＡＷＧの透過スペクトル波形の変化を示す図である。本発明の第１の実施例にかかるＡＷＧ型光波長合分波回路の構成を示す図である。図５のＡＷＧ型光波長合分波回路において、光スプリッタからテーパ導波路の近傍を拡大した図である。図５のＡＷＧ型光波長合分波回路において、第１または第２のアーム導波路上の領域に紫外線を照射した場合のアーム導波路の実効屈折率変動量と光位相差の変化を示す図である。図５のＡＷＧ型光波長合分波回路において、アレイ導波路に生じた位相誤差の一例を示す図である。負の波形傾斜を有するＡＷＧ型光波長合分波回路の第２のアーム導波路上の領域に紫外光を照射したときのアーム導波路の実効屈折率変化量に対する中心波長の透過率変化率を示す図である。図９の紫外光の照射による透過スペクトル波形の調整前後での波形先端部を示す図である。図５のＡＷＧ型光波長合分波回路において、アレイ導波路に生じた位相誤差の別の一例を示す図である。正の波形傾斜を有するＡＷＧ型光波長合分波回路の第１のアーム導波路上の領域に紫外光を照射したときのアーム導波路の実効屈折率変化量に対する中心波長の透過率変化率を示す図である。図１２の紫外光の照射による透過スペクトル波形の調整前後での波形先端部を示す図である。ＡＷＧ型光波長合分波回路において、光モード合成カプラの一構成例を示す図である。ＡＷＧ型光波長合分波回路において、光モード合成カプラの別の構成例を示す図である。ＡＷＧ型光波長合分波回路において、光モード合成カプラのさらに別の構成例を示す図である。ＡＷＧ型光波長合分波回路において、光スプリッタの一構成例を示す図である。本発明の第２の実施例にかかるＡＷＧ型光波長合分波回路の構成を示す図である。図１８のＡＷＧ型光波長合分波回路において、光スプリッタからテーパ導波路の近傍を拡大した図である。図１９の線分ＡＡ’での断面図である。図１８のＡＷＧ型光波長合分波回路において、第１または第２のアーム導波路をヒータで加熱した場合のアーム導波路の実効屈折率変動量と光位相差の変化を示す図である。従来のＡＷＧの構成例を示す図である。図２２の線分ＢＢ’での断面図である。図２２の各アレイ導波路における位相誤差分布の一例を示す図である。フラット型ＡＷＧの透過スペクトル波形の一例を示す図である。図２５の透過スペクトルの先端を拡大した図である。

本発明の実施形態について以下に説明する。図１に、本発明の一実施形態にかかるＡＷＧ型光波長合分波回路の構成例を示す。このＡＷＧ型光波長合分波回路１００は、入力導波路１０１、光スプリッタ１０６、第１のアーム導波路１０７、第２のアーム導波路１０８、光モード合成カプラ１０９、マルチモード導波路１１０、および２次モード光を励起するテーパ導波路１１１を備えている。また、回路１００は、第１のスラブ導波路１０２、アレイ導波路１０３、第２のスラブ導波路１０４、出力導波路１０５をさらに備えている。

光モードカプラ１０９は、第１のアーム導波路１０７から入力する基底モード光を１次モード光に変換し、第２のアーム導波路１０８から入力する基底モード光を基底モード光として合成する。合成された基底モード光と１次モード光は、マルチモード導波路１１０をそれぞれのモードの実効屈折率に従って伝播し、更にテーパ導波路１１１において、基底モード光の一部は２次モード光に変換される。このとき、１次モード光はそのまま１次モード光として伝播する。したがって、テーパ導波路１１１の開口端、第１のスラブ導波路１０２への接続部においては、基底モード光、１次モード光、２次モード光の合成フィールドが生成される。この合成フィールドの基底モード光と２次モード光の強度比および位相差は、テーパ導波路１１１の形状により決まる。また、基底モード光と２次モード光に対する１次モード光の強度比は、光スプリッタ１０６における分岐比と、光モード合成カプラ１０９の結合率によって決まり、位相差は、第１のアーム導波路１０７と第２のアーム導波路１０８の光路長差、マルチモード導波路１１０の長さ、およびテーパ導波路１１１の長さによって決まる。

図２は、本発明の実施形態において、テーパ導波路１１１の開口端に生成される基底、１次、および２次モード光の各フィールド形状を示したものである。図において、テーパ導波路１１１の開口端の導波路幅をＷとし、導波路の中央を横軸のゼロとしている。また、縦軸は電界の振幅を表している。

図３は、図２に示した基底、１次、および２次モード光の合成フィールドの変化を示したものである。図において、基底、１次、２次モード光の強度比は０．８５：０．０５：０．１０に設定している。そして、基底モード光に対する２次モード光の位相差はゼロに固定し、基底モード光に対する１次モード光の位相差を−π、−０．７５π、−０．５π、−０．２５π、０、０．２５π、０．５π、０．７５π、πと変えたときの結果を示している。基底モード光に対する１次モード光の位相差を変えることで、双峰状フィールドが非対称→対称→逆の非対称→対称→非対称に変化していることがわかる。

図４は、図３の各合成フィールドが生成している場合のＡＷＧ１００の透過スペクトル波形の変化を示したものである。ここで、出力導波路１０５の第２のスラブ導波路１０４への接続部には基底モード光のみの光フィールドを仮定し、上記の合成フィールドとのパワーオーバーラップ積分により透過スペクトルを求めている。図より、基底モード光に対する１次モード光の位相差を変えることで、透過スペクトル波形の傾斜状態が連続的に変化していることがわかる。

ここで、合成フィールドにおける基底モード光に対する１次モード光の位相差は、適当な手段により第１のアーム導波路１０７と第２のアーム導波路１０８の間の光路長差を変化させることによって調整が可能である。光路長とはすなわち、導波路の実効屈折率と長さの積であるから、光路長差の調整は、例えば、第１のアーム導波路１０７、第２のアーム導波路１０８の実効屈折率を変化させることでなされる。第１のアーム導波路１０７の実効屈折率を増加させれば位相差は正方向にシフトし、第２のアーム導波路１０８の実効屈折率を増加させれば位相差は負方向にシフトする。

以下、この光波長合分波回路における透過スペクトル波形の調整方法を説明する。まず設計において、上記の合成フィールドにおける基底モード光に対する１次モード光の位相差は、透過波形が平坦になるように設定する。ここでは位相差を−０．５πであるとする。製造された回路の透過スペクトルを評価し、結果により以下の３つに分類する。

（１）透過率が波長に対して変化しない（平坦である）
（２）透過率が波長に対して正の傾斜を有する
（３）透過率が波長に対して負の傾斜を有する
分類（１）の場合には、アレイ導波路１０３における位相誤差が、問題ならない程度に小さいことを意味し、透過波形の調整は不要である。分類（２）および（３）の場合は、アレイ導波路１０３において位相誤差が生じていることを意味し、透過波形の調整が必要である。分類（２）の場合、第１のアーム導波路１０７の実効屈折率を徐々に増加させる。これにより、合成フィールドにおける基底モード光に対する１次モード光の位相差は、正方向にシフトし、透過率の波長に対する傾斜は、負の方向に徐々に変化する。透過波形が平坦になった時点で、第１のアーム導波路１０７の実効屈折率変化を停止すれば、平坦な透過波形を有するＡＷＧを得ることができる。他方、分類（３）の場合、第２のアーム導波路１０８の実効屈折率を徐々に増加させる。これにより、合成フィールドにおける基底モード光に対する１次モード光の位相差は、負方向にシフトし、透過率の波長に対する傾斜は、正の方向に徐々に変化する。透過波形が平坦になった時点で、第２のアーム導波路１０８の実効屈折率変化を停止すれば、平坦な透過波形を有するＡＷＧを得ることができる。

ここで、マルチモード導波路１１０の幅としては、少なくとも１次モード光までは伝播可能であるほどは広く、２次モード光は伝播できない、すなわち２次モードの実効屈折率が存在しない程度の幅であることが好ましい。これは、第１のアーム導波路１０７から入力する基底モード光が、光モードカプラ１１０において僅かに２次モード光に変換された場合でも、その２次モード光をマルチモード導波路１１０にて抑制し、テーパ導波路１１１の開口端での合成フィールドにおいて、不必要な変動が生じることがないようにするためである。

図５に、本発明の第１の実施例にかかるＡＷＧ型光波長合分波回路の構成を示す。このＡＷＧ型光波長合分波回路１１００は、入力導波路１１０１、光スプリッタ１１０６、第１のアーム導波路１１０７、第２のアーム導波路１１０８、光モード合成カプラ１１０９、マルチモード導波路１１１０、および２次モード光を励起するテーパ導波路１１１１を備えている。また、この回路１１００は、第１のスラブ導波路１１０２、アレイ導波路１１０３、第２のスラブ導波路１１０４、および出力導波路１１０５を備えている。

図５においてアレイ導波路１１０３の長さは、一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。このＡＷＧ１１００は石英系ＰＬＣにより構成され、クラッドの屈折率が１．４４４２５、導波路の比屈折率差Δが１．５％、コア厚が４．５μｍである。入力導波路１１０１、アレイ導波路１１０３、出力導波路１１０５、第１のアーム導波路１１０７、第２のアーム導波路１１０８のコア幅は４．５μｍである。また、波長チャネル数は４０、中央の波長チャネルの透過波長は１５４４．５３μｍ（１９４．１ＴＨｚ）、波長チャネル間隔は０．８ｎｍ（光周波数間隔１００ＧＨｚ）であり、このときアレイ導波路の本数は２５０本、ΔＬは３３．９μｍである。また、第１のスラブ導波路１１０２および第２のスラブ導波路１１０４の長さは８１００μｍであり、出力導波路１１０５は、第２のスラブ導波路１１０４に接続する部分において１６μｍ間隔で波長チャネル数、すなわち４０本配置されている。

図６は、図５の光波長合分波回路１１００における光スプリッタ１１０６からテーパ導波路１１１１近傍を拡大した図である。各部分の符号は図５と同様である。ここで、光スプリッタ１１０６としては方向性結合器を用いている。また、光モードカプラ１１０９としては導波路幅が非対称な方向性結合器を用いており、第１のアーム導波路１１０７に接続する導波路１２０１の幅を２．５μｍ、第２のアーム導波路１１０８に接続する導波路１２０２の幅を８μｍとし、導波路１２０１、１２０２の長さは５００μｍとしている。また、第２のアーム導波路１１０８から導波路１２０２へは直線テーパにより滑らかに導波路幅が変換されている。このとき、導波路２１０１の基底モード実効屈折率と、導波路１２０２の１次モード実効屈折率はほぼ等しくなっており、第１のアーム導波路１１０７から導波路１２０１に入力する基底モード光は、導波路１２０２の１次モードに結合する。また、第２のアーム導波路１１０８から入力する基底モード光は、そのまま導波路１２０２を基底モードで伝播するので、マルチモード導波路１１１０へは基底モードと１次モードが合成され出力される。基底モード光と１次モード光の光強度比は、光スプリッタ１１０６における分岐比と、光モード合成カプラ１１０９の導波路１２０１から１２０２への結合率によって決まるが、本実施例ではそれぞれ５．５％、９０％に設計されており、基底モード光と１次モード光の光強度比は９５：５である。

光モード合成カプラ１１０９は、マルチモード導波路１１１０およびテーパ導波路１１１１を介して第１のスラブ導波路１１０２に接続されている。本実施例において、テーパ導波路１１１１にはパラボラ形状のテーパを用いている。マルチモード導波路１１１０の導波路幅は８μｍであり、パラボラ形状テーパ導波路１１１１の長さは１５０μｍ、開口端の幅は１６μｍである。このテーパ導波路１１１１において、基底モード光の一部は２次モード光に変換される。このとき、１次モード光はそのまま１次モード光として伝播する。したがって、テーパ導波路１１１１の開口端、すなわち第１のスラブ導波路１１０２への接続部においては、基底モード光、１次モード光、および２次モード光の合成フィールドが生成される。

この合成フィールドにおける基底モード光と２次モード光の強度比および位相差は、テーパ導波路１１１１の形状により決まる。本実施例において、テーパ導波路１１１１の開口端における基底、１次および２次モード光の強度比は８５：５：１０となっている。また、基底モード光に対する２次モード光の位相差はゼロである。ここで、基底モード光に対する１次モード光の位相差は、第２のアーム導波路１１０８に対する第１のアーム導波路１１０７の長さの差分、マルチモード導波路１１１０の長さ、およびテーパ導波路１１１１の長さによって決まる。本実施例では、第２のアーム導波路１１０８に対する第１のアーム導波路１１０７の長さの差分はゼロとし、基底モード光に対する１次モード光の位相差が−０．５πになるようにマルチモード導波路１１１０の長さを設計している。

本実施例における光波長合分波回路の透過波形調整方法について説明する。本実施例では、第１のアーム導波路１１０７または第２のアーム導波路１１０８において実効屈折率を変化させる手法として、紫外光の照射を用いる。石英系ＰＬＣにおいて、紫外光照射により導波路の実効屈折率を変化させる技術については、非特許文献１に開示されている。石英系導波路に紫外光を照射した場合には、導波路の実効屈折率を増加させることが可能である。

図６において、領域１２０３および１２０４は、紫外光を照射する領域を示している。実際には、領域１２０３または１２０４の形状のみ切り取られた金属板等をＰＬＣ上面に設置し、上面から紫外光を照射する。これにより、ＰＬＣの所望領域にのみ紫外光を到達させることができる。ここで、領域１２０３および１２０４に重なる第１のアーム導波路１１０７または第２のアーム導波路１１０８の部分の導波路長は、各５００μｍである。

図７は、領域１２０３または１２０４に紫外線を照射した場合の導波路の実効屈折率変動量と、第２のアーム導波路１１０８に対する第１のアーム導波路１１０７の光位相差の変化を示した図である。ここで、光の波長は１５４４ｎｍ付近であるとしている。領域１２０３、すなわち第１のアーム導波路１１０７に照射した場合には、実効屈折率変化に対し、光位相差が正方向にシフトし、領域１２０４、すなわち第２のアーム導波路１１０８に照射した場合には、実効屈折率変化に対し、光位相差が負方向にシフトすることがわかる。

ここで特に、本実施例のＡＷＧ１１００のアレイ導波路１１０３において、図８に示すような位相誤差が生じていたとする。横軸のアレイ導波路番号は、負が内側のアレイ導波路、正が外側のアレイ導波路、ゼロが中央のアレイ導波路を示す。図８のように中央のアレイ導波路に対して非対称、かつ位相誤差が増加傾向にある場合には、ＡＷＧ１１００の透過スペクトル波形においては、透過率の波長に対する負の傾斜が生じる。そこで、この負の傾斜を調整して解消するために、領域１２０４に紫外光を照射し、第２のアーム導波路１１０８の一部の実効屈折率を増加させる。

ここで、ＡＷＧの透過率の波長に対する傾斜の程度を示すために、透過率変化率の指標を導入する。いま、ＡＷＧの透過スペクトルをＴ（λ）とする。ここに、λは波長である。透過率変化率はｄＴ（λ）／ｄλ定義され、透過率の波長に対する変化率を示す指標である。透過スペクトルとして理想的な平坦な波形とは、ｄＴ（λ）／ｄλ＝０を意味し、ｄＴ（λ）／ｄλ≠０であれば波形に傾斜が存在することになる。図９は、上述した負の波形傾斜を有するＡＷＧの領域１２０４に紫外光を照射したときの導波路の実効屈折率変化量δｎに対するｄＴ（λ_Ｃ）／ｄλの変動を示したものである。ここで、３ｄＢの透過帯域の中心波長をλ＝λ_Ｃとしている。図からわかるように、実効屈折率の増加に伴ってｄＴ（λ_Ｃ）／ｄλは単調に増加し、δｎ＝４．７×１０^−５になったときにｄＴ（λ_Ｃ）／ｄλ＝０、すなわち目的とする平坦な透過波形に達する。実際の波形調整においては、紫外光を照射しながら同時に透過スペクトルを測定し、ｄＴ（λ_Ｃ）／ｄλ＝０となった時点で照射を停止するという工程が考えられる。

図１０は、調整前と、δｎ＝４．７×１０^−５まで紫外光を照射した調整後での透過スペクトル波形の先端部を比較した図である。図において、横軸はλ＝λ_Ｃ基準とした相対波長としている。透過波形調整によって、透過率の波長に対する負の傾斜が改善され、理想的な平坦な波形が得られることが確認される。

また、別の場合として特に、本実施例のＡＷＧ１１００のアレイ導波路１１０３において、図１１に示すような位相誤差が生じていたとする。図１１のように中央のアレイ導波路に対して非対称、かつアレイ位相が減少傾向にある場合には、ＡＷＧ１１００の透過スペクトル波形においては、透過率の波長に対する正の傾斜が生じる。そこで、この正の傾斜を調整して解消するために、領域１２０３に紫外光を照射し、第１のアーム導波路１１０７の一部の実効屈折率を増加させる。

図１２は、上述した正の波形傾斜を有するＡＷＧの領域１２０３に紫外光を照射したときの導波路の実効屈折率変化量δｎに対するｄＴ（λ_Ｃ）／ｄλの変動を示したものである。図からわかるように、実効屈折率の増加に伴ってｄＴ（λ_Ｃ）／ｄλは単調に減少し、δｎ＝２．４×１０^−５になったときにｄＴ（λ_Ｃ）／ｄλ＝０、すなわち目的とする平坦な透過波形に達する。また、図１３は、調整前と、δｎ＝２．４×１０^−５まで紫外光を照射した調整後での透過スペクトル波形の先端部を比較した図である。透過波形調整によって、透過率の波長に対する正の傾斜が改善され、理想的な平坦な波形が得られることが確認される。

本実施例においては、図６のように、光モード合成カプラ１１０９として、非対称な方向性結合器を適用したが、光モード合成カプラ１１０９の実現はこの構成に限定されない。図１４は別構成における光モード合成カプラ１１０９近傍を拡大した図である。図１４の構成においては、図６と同様に導波路１３０１、１３０２からなる非対称な方向性結合器ではあるが、導波路１３０１に接続する出力導波路は、溝１３０３によって終端されている。ここで、溝１３０３には光波を吸収する遮光材料が挿入されており、また遮光材料と出力導波路の界面は導波路に垂直ではなく、垂直面から８度傾いている。図１４の構成により、図６の構成に比較して、導波路１３０１から導波路１３０２に結合せずに僅かに残る光波を遮断して第１のスラブ導波路１１０２などに迷光が侵入することを抑制し、また光波の反射も抑制することができる。そのため、ＡＷＧ１１００の光学特性において、よりクロストークおよび反射特性に優れるものが実現可能である。

図１５は更に別構成における光モード合成カプラ１１０９近傍を拡大した図である。図１５の構成においては、図６と同様に導波路１４０１、１４０２からなる非対称な方向性結合器ではあるが、導波路１４０１はその幅が徐々に狭くなり、幅が無くなって終端する構造になっている。このとき、導波路１４０１、１４０２の長さは１１００μｍに設計されている。図１５の構成により、図６の構成に比較して、導波路１４０１から導波路１４０２への光波の結合率をほぼ１００％にすることができる。そのため、ＡＷＧ１１００の光学特性において、より損失特性に優れたものが実現可能である。

図１６は更に別構成における光モード合成カプラ１１０９近傍を拡大した図である。図１６の構成においては、光モード合成カプラ１１０９は２つのマルチモード干渉回路（Multi-Mode Interferometer：ＭＭＩ）からなる。この構成については詳しくは、非特許文献２に開示されている。光モード合成カプラ１１０９は、第１のＭＭＩ１５０１、第２のＭＭＩ１５０２、中間導波路１５０３、１５０４および１５０５を備えている。第１のＭＭＩ１５０１は、幅２０μｍ、長さ７５４μｍであり、第２のＭＭＩ１５０２は、幅２０μｍ、長さ３７７μｍである。また、中間導波路１５０３は、幅４．５μｍ、長さ５０μｍであり、中間導波路１５０４は、幅４．５μｍ、長さ５１．５μｍであり、中間導波路１５０５は、幅４．５μｍ、長さ５３μｍである。一般に、ＭＭＩは方向性結合器に比較して、導波路幅の変化に対する分岐特性の変化が小さい。従って、図１６の構成により、図６の構成に比較して、導波路の幅に作製誤差が生じた場合においても、アーム導波路１１０７から入力した基底モード光がマルチモード導波路１１１０の一次モードに結合する結合率が影響されないため、ＡＷＧ１１００の光学特性において、より作製トレランスに優れたものを実現可能である。

また、本実施例においては、図６のように、光スプリッタ１１０６として、単一の方向性結合器を適用したが、光スプリッタ１１０６の実現はこの構成に限定されない。例えば、Ｙ分岐回路、ＭＭＩによっても実現可能である。更に好ましくは、光スプリッタ１１０６は、波長無依存カプラ（Wavelength INdependent Coupler：ＷＩＮＣ）により実現される。図１７は、ＷＩＮＣによって構成された光スプリッタ１１０６近傍を拡大した図である。この光スプリッタ１１０６は、２つの方向性結合器１６０１および１６０２、および２つのアーム導波路１６０３および１６０４により構成されている。方向性結合器１６０１、１６０２の結合率はそれぞれ８５％、９０％、アーム導波路１６０４に対するアーム導波路１６０３の光路長差は０．４９μｍであり、ＷＩＮＣは分岐比５．５％の光スプリッタとして機能している。ＷＩＮＣを用いる図１７の構成により、単一の方向性結合器を用いる図６の構成に比較して、分岐比の波長依存性が小さいため、ＡＷＧ１１００の光学特性において、より広い波長範囲で均一な波形調整動作を得ることができる。

図１８に、本発明の第２の実施例にかかるＡＷＧ型光波長合分波回路の構成を示す。このＡＷＧ型光波長合分波回路２１００は、入力導波路２１０１、光スプリッタ２１０６、第１のアーム導波路２１０７、第２のアーム導波路２１０８、光モード合成カプラ２１０９、マルチモード導波路２１１０、および２次モード光を励起するテーパ導波路２１１１を備えている。また、この回路２１００は、第１のスラブ導波路２１０２、アレイ導波路２１０３、第２のスラブ導波路２１０４、および出力導波路２１０５である。また、第１のアーム導波路２１０７および第２のアーム導波路２１０８上にはその一部を加熱できるようにヒータ２１１２、２１１３がそれぞれ設けられている。

図１８においてアレイ導波路２１０３の長さは、一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。このＡＷＧ２１００は石英系ＰＬＣにより構成され、クラッドの屈折率が１．４４４２５、導波路の比屈折率差Δが１．５％、コア厚が４．５μｍである。入力導波路２１０１、アレイ導波路２１０３、出力導波路２１０５、第１のアーム導波路２１０７、第２のアーム導波路２１０８のコア幅は４．５μｍである。また、波長チャネル数は４０、中央の波長チャネルの透過波長は１５４４．５３μｍ（１９４．１ＴＨｚ）、波長チャネル間隔は０．８ｎｍ（光周波数間隔１００ＧＨｚ）であり、このときアレイ導波路の本数は２５０本、ΔＬは３３．９μｍである。また、第１のスラブ導波路２１０２および第２のスラブ導波路２１０４の長さは８１００μｍであり、出力導波路２１０５は、第２のスラブ導波路２１０４に接続する部分において１６μｍ間隔で波長チャネル数、すなわち４０本配置されている。

図１９は、図１８の光波長合分波回路２１００における光スプリッタ２１０６からテーパ導波路２１１１近傍を拡大した図である。各部分の符号は図１８と同様である。ここで、光スプリッタ２１０６としてはＷＩＮＣを用いており、このＷＩＮＣは２つの方向性結合器２２０１および２２０２、および２つのアーム導波路２２０３および２２０４で構成されている。方向性結合器２２０１、２２０２の結合率はそれぞれ８５％、９０％であり、アーム導波路２２０４に対する２２０３の光路長差は０．４９μｍであり、ＷＩＮＣは分岐比５．５％の光スプリッタとして機能している。

図２０は図１９における線分ＡＡ’での断面構造を示した図である。シリコン基板２３０４の上に、コア２３０１、２３０２およびクラッド２３０４を形成している。コア２３０１、２３０２はそれぞれ第１のアーム導波路２１０７、第２のアーム導波路２１０８の導波路コアである。ヒータ２１１２、２１１３は、各導波路コア２３０１、２３０２の上部でクラッド２３０４の表面に実装され、それぞれの導波路を加熱できるようになっている。

また、図１９のように、光モードカプラ２１０９としては導波路幅が非対称な方向性結合器を用いており、第１のアーム導波路２１０７に接続する導波路２２０５は幅２．５μｍから徐々に狭くなり、幅が無くなって終端する構造になっている。第２のアーム導波路２１０８に接続する導波路２２０６の幅は８μｍとし、導波路２２０５、２２０６の長さは１１００μｍとしている。また、第２のアーム導波路２１０８から導波路２２０６へは直線テーパにより滑らかに導波路幅が変換されている。光モードカプラ２１０９から出力される基底モード光と１次モード光の光強度比は、光スプリッタ２１０６における分岐比と、光モード合成カプラ２１０９の導波路２２０５から２２０６への結合率によって決まるが、本実施例ではそれぞれ５．５％、９０％に設計されており、基底モード光と１次モード光の光強度比は９５：５である。

光モード合成カプラ２１０９は、マルチモード導波路２１１０およびテーパ導波路２１１１を介して第１のスラブ導波路２１０２に接続されている。本実施例において、テーパ導波路２１１１にはパラボラ形状のテーパを用いている。マルチモード導波路２１１０の導波路幅は８μｍであり、パラボラ形状テーパ導波路２１１１の長さは１５０μｍ、開口端の幅は１６μｍである。このテーパ導波路２１１１において、基底モード光の一部は２次モード光に変換される。このとき、１次モード光はそのまま１次モード光として伝播する。したがって、テーパ導波路２１１１の開口端、すなわち第１のスラブ導波路２１０２への接続部においては、基底モード光、１次モード光および２次モード光の合成フィールドが生成される。

この合成フィールドにおける基底モード光と２次モード光の強度比および位相差は、テーパ導波路２１１１の形状により決まる。本実施例において、テーパ導波路２１１１の開口端における基底、１次および２次モード光の強度比は８５：５：１０となっている。また、基底モード光に対する２次モード光の位相差はゼロである。ここで、基底モード光に対する１次モード光の位相差は、第２のアーム導波路２１０８に対する第１のアーム導波路２１０７の長さの差分、マルチモード導波路２１１０の長さ、およびテーパ導波路２１１１の長さによって決まる。本実施例では、第２のアーム導波路２１０８に対する第１のアーム導波路２１０７の長さの差分はゼロとし、基底モード光に対する１次モード光の位相差が−０．５πになるようにマルチモード導波路２１１０の長さを設計している。

本実施例における光波長合分波回路の透過波形調整方法は、第１実施例と同様に、第１のアーム導波路２１０７または第２のアーム導波路２１０８において実効屈折率を変化させ、それによりテーパ導波路２１１１の開口端における基底モード光に対する１次モード光の位相差を変化させることによって行う。ただし、本実施例では、第１のアーム導波路２１０７にはヒータ２１１２、第２のアーム導波路２１０８にはヒータ２１１３を備えており、各アーム導波路の実効屈折率を変化させる手法としては、ヒータ２１１２または２１１３を一定時間加熱し、導波路材質の非可逆的変化を起こす手法を用いる。石英系ＰＬＣにおいて、ヒータによる加熱によって導波路の実効屈折率を非可逆的に変化させる技術については、非特許文献３に開示されている。石英系導波路に一定時間の加熱を行った場合には、導波路の実効屈折率を増加させることが可能である。

図１９においてヒータ２１１２および２１１３が上部に実装された第１のアーム導波路２１０７および第２のアーム導波路２１０８の長さと幅は、それぞれ４０００μｍおよび５０μｍとなっている。図２１は、ヒータ２１１２または２１１３で加熱した場合の導波路の実効屈折率変動量と、第２のアーム導波路２１０８に対する第１のアーム導波路２１０７の光位相差の変化を示した図である。ここで、光の波長は１５４５ｎｍ付近であるとしている。ヒータ２１１２、すなわち第１のアーム導波路２１０７を加熱した場合には、実効屈折率変化に対し、光位相差が正方向にシフトし、ヒータ２１１３、すなわち第２のアーム導波路２１０８を加熱した場合には、実効屈折率変化に対し、光位相差が負方向にシフトすることがわかる。

図２１に示したように光位相差を変化させることで、テーパ導波路２１１１の開口端における基底モード光に対する１次モード光の位相差が変化する。これにより、テーパ導波路２１１１の開口端における合成光フィールドを変化させて、ＡＷＧ２１００の透過スペクトル波形を調整することができる。また、本実施例において、アレイ導波路２１０３での位相誤差に対する波形調整は、第１実施例に説明された手順と全く同様に行うことができる。

以上、本発明の実施形態と２つの実施例の説明から、本発明による光波長合分波回路では、従来技術のフラット型ＡＷＧによる光波長合分波回路において、透過スペクトル波形の傾斜が製造誤差により変動する問題を解消し、適当な透過波形調整方法により、平坦な透過帯域特性を有する光波長合分波回路を安定的に得られることが示された。

全ての実施例では、光波長合分波回路のチャネル数、チャネル間隔、および各チャネルの透過波長を特定の数値に限定したが、本発明の適用範囲はこの数値に限定されものではない。

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。

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

全ての実施例では、２次モード光を励起するテーパ導波路としてパラボラ形状のテーパ導波路を適用したが、テーパの形状はこれに限定されず、マルチモード干渉計、Ｙ分岐、双曲線形状、楕円形状、指数関数形状など、基底モード光の一部を２次モード光に変換するあらゆるテーパ形状が適用可能である。

全ての実施例では、２次モード光を励起するテーパ導波路の開口端に生成される基底、１次および２次モード光のパワー比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。

実施例においては、第１のアーム導波路と第２のアーム導波路との間の光位相差を調整する方法として、第１または第２のアーム導波路に紫外光を照射して導波路の実効屈折率を変化させる方法、および、第１または第２のアーム導波路に装荷されたヒータを加熱して導波路の実効屈折率を非可逆的に変化させる方法を適用したが、方法はこれらに限定されず、光位相差を調整可能なあらゆる方法が適用可能である。例えば、第１または第２のアーム導波路の一部を分断し、導波路の実効屈折率とは異なる屈折率を有する材料を挿入してもよい。この場合、光位相差の調整は屈折率の異なる材料を複数準備し、挿入する材料を選択することによっても可能であるし、挿入する材料は固定し、導波路を分断する幅を変えることによっても可能である。

１００，１１００，２１００ＡＷＧ型光波長合分波回路
１０１，１１０１，２１０１入力導波路
１０２，１１０２，２１０２第１のスラブ導波路
１０３，１１０３，２１０３アレイ導波路
１０４，１１０４，２１０４第２のスラブ導波路
１０５，１１０５，２１０５出力導波路
１０６，１１０６，２１０６光スプリッタ
１０７，１１０７，２１０７第１のアーム導波路
１０８，１１０８，２１０８第２のアーム導波路
１０９，１１０９，２１０９光モード合成カプラ
１１０，１１１０，２１１０マルチモード導波路
１１１，１１１１，２１１１テーパ導波路
１２０１，１２０２，１３０１，１３０２，１４０１，１４０２，２２０５，２２０６導波路
１２０３，１２０４領域
１３０３溝
１５０１第１のマルチモード干渉回路
１５０２第２のマルチモード干渉回路
１５０３，１５０４，１５０５中間導波路
１６０１，１６０２，２２０１，２２０２方向性結合器
１６０３，１６０４，２２０３，２２０４アーム導波路２１１２，２１１３ヒータ
２３０１，２３０２コア
２３０４クラッド
４１００アレイ導波路回折格子
４１０１入力導波路
４１０２第１のスラブ導波路
４１０３アレイ導波路
４１０４第２のスラブ導波路
４１０５出力導波路
４２０１コア
４２０２クラッド
４２０３シリコン基板

Claims

第１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複数の導波路からなるアレイ導波路と、前記アレイ導波路の複数の導波路に接続された第２のスラブ導波路とを備えたアレイ導波路回折格子と、
光スプリッタと、
前記光スプリッタに接続された第１および第２のアーム導波路と、
前記第１および第２のアーム導波路に接続された光モード合成カプラであって、前記第１のアーム導波路から入力される基底モード光を１次モードに結合させ、前記第２のアーム導波路から入力される基底モード光を基底モードに結合させる光モード合成カプラと、
前記光モード合成カプラに接続され、２次モード光を励起するテーパ導波路であって、前記第１のスラブ導波路にさらに接続されたテーパ導波路と
を備え、
前記テーパ導波路は、基底および１次モード光が伝播し、２次モード光が伝播しないマルチモード導波路を介して前記光モード合成カプラに接続されていることを特徴とする光波長合分波回路。
請求項１に記載の光波長合分波回路であって、前記第１および第２のアーム導波路の少なくとも一方を加熱するヒータをさらに備えたことを特徴とする光波長合分波回路。
請求項１または２に記載の光波長合分波回路であって、前記光モード合成カプラは、幅の異なる２本の導波路から構成される方向性結合器であることを特徴とする光波長合分波回路。
請求項１または２に記載の光波長合分波回路であって、前記光モード合成カプラは、幅の異なる２本の導波路から構成され、幅の狭い方の導波路は、幅が徐々に減少して終端していることを特徴とする光波長合分波回路。
請求項１から４のいずれかに記載の光波長合分波回路であって、前記光スプリッタは、波長無依存カプラ（ＷＩＮＣ）により構成されていることを特徴とする光波長合分波回路。
請求項１から５のいずれかに記載の光波長合分波回路であって、前記アレイ導波路回折格子およびその他の導波路は、石英系導波路により構成されていることを特徴とする光波長合分波回路。
第１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複数の導波路からなるアレイ導波路と、前記アレイ導波路の複数の導波路に接続された第２のスラブ導波路とを備えたアレイ導波路回折格子と、
光スプリッタと、
前記光スプリッタに接続された第１および第２のアーム導波路と、
前記第１および第２のアーム導波路に接続された光モード合成カプラであって、前記第１のアーム導波路から入力される基底モード光を１次モードに結合させ、前記第２のアーム導波路から入力される基底モード光を基底モードに結合させる光モード合成カプラと、
前記光モード合成カプラに接続され、２次モード光を励起するテーパ導波路であって、前記第１のスラブ導波路にさらに接続されたテーパ導波路と
を備え、
前記テーパ導波路は、基底および１次モード光が伝播し、２次モード光が伝播しないマルチモード導波路を介して前記光モード合成カプラに接続されている光波長合分波回路において、透過スペクトル波形を調整する方法であって、
前記第１のアーム導波路と第２のアーム導波路の間の光路長差を変化させて、前記２次モードを励起するテーパ導波路の開口端での基底および２次モード光に対する１次モード光の位相差を変化させることを特徴とする方法。
請求項７に記載の方法であって、前記第１および第２のアーム導波路の少なくとも一方に紫外光を照射してその実効屈折率を変化させることを特徴とする方法。
請求項７に記載の方法であって、前記第１および第２のアーム導波路の少なくとも一方を加熱してその実効屈折率を非可逆的に変化させることを特徴とする方法。