JP5180322B2 - 光波長合分波回路ならびに光波長合分波回路を用いた光モジュールおよび光通信システム - Google Patents

Description

本発明は、光波長合分波回路に関する。より詳細には、アレイ導波路回折格子を基本構成とした、広い透過帯域幅を有する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（Planer Light wave Circuit：以下ＰＬＣ）の研究開発が、盛んに行われている。ＰＬＣ技術を利用したアレイ導波路回折格子（Arrayed waveguide Grating：以下ＡＷＧ）は、光通信用システムの中で重要な役割を果たしている。ＡＷＧは、複数の光周波数が多重化された信号光（波長多重信号）を所定の光周波数チャネル間隔に配置された各信号光に分波し、または各信号光を１つの波長多重信号に合波する機能を持つ光波長合分波回路である。

光通信システムの進展に伴い、リング網やメッシュ網などを利用して多地点を接続し、フレキシブルに通信路を切り替えるネットワークシステムも構築され始めている。このような高度なネットワークでは、光信号を電気信号に変換することなく、光信号のままで多地点を通過させ処理することが求められている。ここで使用される光波長合分波回路には、透過帯域が幅広く平坦であり、かつ低損失な透過特性を持つことが求められる。特許文献１は、優れた透過特性を有する光波長合分波回路として、干渉回路とＡＷＧとを組み合わせた同期ＡＷＧ型の光波長合分波回路を提案していた。この同期型の光波長合分波回路では、光信号が複数の光波長合分波回路を多数回通過しても光信号の劣化が小さく、または光信号の波長揺らぎに対して損失変動が小さいという特徴を持っていた。

図２３は、従来技術の同期ＡＷＧ型の光波長合分波回路の構成の一例を示した平面図である。この光波長合分波回路３１００は、第１のスラブ導波路３１０１、アレイ導波路３１０２、第２のスラブ導波路３１０３、第２の入出力導波路３１０４および第１の入出力導波路３１０５から構成される。第１の入出力導波路３１０５と第１のスラブ導波路３１０１との間には、光スプリッタ３１０６、第１のアーム導波路３１０７、第２のアーム導波路３１０８および光モード合成カプラ３１０９が順次接続されている。第１の入出力導波路３１０５と第１のスラブ導波路３１０１との間にある各要素は、干渉回路を構成する。

上述の構成を持つ同期ＡＷＧ型の光波長合分波回路は、以下のように動作する。複数の波長を有する光波は、第１の入出力導波路３１０５に入射すると、光スプリッタ３１０６によって第１のアーム導波路３１０７および第２のアーム導波路３１０８に分岐される。２つのアーム導波路３１０７、３１０８において、光波は基底モード光として伝播する。２つのアーム導波路の光路長差のために、分岐された各光波間には、波長に応じて位相差が生じる。分岐された各光波は、光モード合成カプラ３１０９において再び合流する。

このとき、第１のアーム導波路３１０７から光モード合成カプラ３１０９へ入力した基底モード光は、１次モード光に変換される。一方、第２のアーム導波路３１０８から合成カプラ３１０９へ入力した基底モード光は、基底モード光のまま合流する。したがって、光モード合成カプラ３１０９から出力する光波は、基底モード光および１次モード光が合成されたものとなる。合成された光フィールドの特性は、基底モード光および１次モード光の位相差、すなわち光波の波長に応じて変化する。

図２４は、上述の光波長合分波回路における光モード合成カプラ近傍の構成の一例を示した図である。光モード合成カプラ３１０９は、導波路の幅が非対称な方向性結合器によって構成される。導波路３１０９ａおよび導波路３１０９ｂは、それぞれ第１のアーム導波路３１０７および第２のアーム導波路３１０８に接続される。導波路３１０９ａにおける基底モード光の実効屈折率と、導波路３１０９ｂにおける１次モード光の実効屈折率とがほぼ一致するように各導波路幅を設定することによって、基底モード光および１次モード光の光モード合成カプラとして動作する。

導波路３１０９ｂには、マルチモード導波路３２０１、３２０３がさらに順次接続される。２つのマルチモード導波路３２０１、３２０３の間には、テーパ導波路３２０２が接続される。これらの導波路３２０１、３２０２、３２０３は、必須の要素ではなく、第１のスラブ導波路３１０１に接続する導波路の幅を調整する場合に設置される。また、マルチモード導波路３２０１、３２０３およびテーパ導波路３２０２は、少なくとも基底モード光および１次モード光が伝播可能でなければならない。第１のスラブ導波路３１０１に接続するマルチモード導波路３２０３の終端（ｐ軸）において、光フィールドは位相差（波長）によって周期的に変化し、合成された光フィールドのピーク位置も周期的にｐ軸上を変動する。

上述のように、第１の入出力導波路３１０５と第１のスラブ導波路３１０１との間に構成された干渉回路は、波長に応じて光フィールドのピーク位置を周期的に変動させる光波を第１のスラブ導波路３１０１に入力させる。

一方、第１のスラブ導波路３１０１に入力した光波は、アレイ導波路３１０２内の隣接する導波路間の光路長差によって、波長に応じた位相差が与えられる。その位相差（すなわち入力光波の波長）に応じて、第２のスラブ導波路３１０３の終端で光波の集光する位置が変化する。すなわち、第２のスラブ導波路３１０３の終端での集光位置に対応した第２の入出力導波路３１０４の導波路に、それぞれ所望の波長の光波が分波される。

上述の光波長合分波回路おいて、マルチモード導波路３２０３の終端における光フィールドのピーク位置が変わると、第１のスラブ導波路３１０１への光波の入力位置が変化することになる。第１のスラブ導波路３１０１への入力位置が変化することによって、アレイ導波路３１０２内の各導波路に達するまでの光路長が変化する。すなわち、アレイ導波路３１０２内の隣接する導波路間の光路長差が変化しなくても、光波長合分波回路３１００全体での光路長差が変化してします。最終的に、第２のスラブ導波路３１０３の終端において光の集光する位置が変化する結果となる。

上述の干渉回路およびＡＷＧ全体の一連の動作は、第１のアーム導波路３１０７および第２のアーム導波路３１０８の光路長差によって、第２のスラブ導波路３１０３の終端で集光する光波の位置を調整できることを意味する。例えば、ある波長領域において、マルチモード導波路３２０３終端での光フィールドのピーク位置変化と、アレイ導波路３１０２内の隣接する導波路間の光路長差に起因する、第２のスラブ導波路３１０３の終端で集光する光の位置変化とが同期するように、ＡＷＧおよび第１のスラブ導波路側の干渉回路の各パラメータを設定することもできる。これにより、この波長領域で第２のスラブ導波路３１０３の終端に集光する光の位置を停留させることで、光波長合分波回路の平坦な透過スペクトル特性を得ることができる。

上述の同期した動作の実現のためには、ＡＷＧにおいて第２の入出力導波路３１０４に分波される光の光周波数チャネル間隔と、第１のスラブ導波路３１０１に接続された干渉回路における光周波数周期とを一致させる必要がある。上述の同期した動作をする光合分波回路は、同期ＡＷＧとも呼ばれている。

特許４１００４８９号 明細書 国際公開特許 ＷＯ９８／３６２８８号パンフレット

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.

しかしながら、上述の同期ＡＷＧにおいても、拡大できる透過帯域幅には限界があった。透過帯域幅を拡大するためには、光モード合成カプラ３１０９において合成される１次モード光の強度比を高めることによって、合成光フィールドのｐ軸上におけるピーク位置の変位幅を大きくすれば良い。ここで、１次モード光の強度比とは、１次モード光のパワーと、基底モード光のパワーおよび１次モード光のパワーの和との比のことを言う。合成光フィールドのピーク位置は、光周波数に応じてｐ軸上をｐ＝０を中心として両側に正弦関数的に周期的に変位する。同期ＡＷＧの動作原理から、光合分波回路の透過中心波長は、合成光フィールドのピーク位置がｐ軸上の０の位置にあるときの光周波数に対応する。

１次モード光の強度比を高めてゆくと、合成光フィールドの形状は基底モードのフィールドの形状から逸脱し次第に変形したものとなる。特に、合成光フィールドのピーク位置が、ｐ軸上における最大変位の中央付近（すなわちｐ＝０）にあるときのフィールド形状の変形が顕著となる。

同期ＡＷＧの透過率は、第１のスラブ導波路３１０１に入力する光フィールドと、第２の入出力導波路が第２のスラブ導波路３１０３に接続する端面における固有光フィールドとの重なり積分により決定される。後者の固有光フィールドは、基底モード光のフィールドである。したがって、第１のスラブ導波路３１０１に入力する光フィールドの形状が基底モード光のフィールドの形状から逸脱し変形していくと、フィールドの不整合により損失が生じる。１次モード光の強度比を高めるにしたがって、合成光フィールドのｐ軸上における最大変位の中央付近（ｐ＝０）、すなわち透過中心波長付近において、損失が増大する傾向が現れる。

図２５は、１次モード光の強度比をパラメータとして、同期ＡＷＧの透過強度スペクトル波形を示した図である。１次モード光の強度比が、１０％、２０％、３０％の場合を示した。横軸は規格化された光周波数であって、光周波数チャネル間隔を１としている。

図２６は、図２５に示した強度スペクトルに波形おいて先端付近を拡大して示した図である。横軸を２倍に、縦軸を概ね１０倍に拡大して示した。図２５および図２６から分かるように、１次モード光の強度比を高めるにしたがって、透過帯域幅は拡大する傾向にある。しかしながら、透過中心光周波数付近では逆に損失が増加して、むしろ透過帯域内における透過率の平坦性は失われてしまう。

このように、従来技術による同期ＡＷＧにおいては、透過帯域幅を拡大しようとすると、透過中心光周波数付近で損失が増大することは避けられなかった。透過帯域内における透過率の平坦性を確保したままで拡大できる帯域幅には制限があり、透過率特性の０．５ｄＢ帯域幅は、光周波数チャネル間隔の４５％程度が限界であった。ネットワークシステムが大規模でかつ複雑になると、信号光がより多くの地点を通過するようになり、１つの信号光は、さらに多数の光波長合分波回路を通過することになる。多数の光波長合分波回路が多段接続された状況では、透過帯域の帯域幅の制限効果は、累積的に生じる。上述の帯域幅の制限のために、信号光がより多くの地点を通過するような複雑で大規模な通信システムに対し、同期ＡＷＧを適用できないという課題があった。

図２７は、従来技術による同期ＡＷＧの透過強度スペクトルおよび透過群遅延特性スペクトルを、１次モード光の強度比をパラメータとして示した図である。１次モード光の強度比が１０％、２０％、３０％の場合について、透過率が−３ｄＢ以上となる光周波数範囲における透過群遅延特性スペクトルを示した。横軸は規格化された光周波数であって、光周波数チャネル間隔を１としている。

図２７に示したように、従来技術による同期ＡＷＧの透過群遅延特性スペクトルは、透過帯域内においても完全に平坦ではなく、ある程度の凹凸を持った形状となる。光波長合分波回路の透過群遅延特性スペクトルが平坦でない場合、位相歪みのために、光波長合分波回路を透過する信号光の伝送品質は劣化する。１つの光波長合分波回路あたりに生じる伝送品質の劣化がわずかであっても、多数の光波長合分波回路を多段接続して用いれば、信号光の位相歪みは累積される。したがって、多数の光波長合分波回路が含まれる複雑で大規模な通信システムに、同期ＡＷＧを適用できないという課題があった。従来、透過群遅延特性スペクトルを完全に平坦にした広帯域同期ＡＷＧについての報告もない。

本発明は、このような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、透過帯域の平坦性を確保しながら従来技術よりさらに帯域幅を拡大した、同期ＡＷＧ型の光波長合分波回路を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、本発明の光波長合分波回路は、アレイ導波路と、前記アレイ導波路の両端に接続された第１のスラブ導波路および第２のスラブ導波路とを含むアレイ導波路回折格子と、干渉回路を介して前記第１のスラブ導波路に光学的に接続された第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ており、前記干渉回路は、第１のアーム導波路と、前記第１のアーム導波路に並置され、長さの異なる第２のアーム導波路と、前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路の各一端と前記第１のスラブ導波路の端部との間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次モード光に結合させ、前記第１のスラブ導波路との接続面において、ピーク位置が周期的に変化する光フィールド分布を形成する光モード合成カプラと、前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路の各他端に接続された光スプリッタとを含み、前記干渉回路の光周波数周期が、前記アレイ導波路回折格子の光周波数チャネル間隔に一致しており、前記光スプリッタの分岐比が前記干渉回路の光周波数周期と同一または半分の周波数周期で変化し、前記アレイ導波路回折格子における各チャネルの透過中心光周波数の近傍で前記分岐比が極小値をとることを特徴とする。上述の光波長合分波回は、同期型のＡＷＧとも呼ばれる。

好ましくは、前記光スプリッタは、所定の光路長差を有する第３のアーム導波路および第４のアーム導波路と、前記２つのアーム導波路の両端に接続する前段光カプラおよび後段光カプラから構成することができる。

また、前記前段光スプリッタおよび後段光カプラは、方向性結合器とすることができる。

また好ましくは、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た方向性結合器とすることもできる。

好ましくは、前記方向性結合器の前記２本の導波路の内で、幅が狭い導波路は、前記第１のアーム導波路側からその幅を徐々に減少させ、特定の幅まで狭まった位置で終端することもできる。

また好ましくは、前記方向性結合器の前記２本の導波路に内で、幅が狭い導波路は、光を減衰させる遮光材料が挿入された溝によって、所定の位置で終端されても良い。

また、前記光モード合成カプラを、光の進行方向に縦列に連結された２つのマルチモード干渉回路から構成することができる。

本発明の光波長合分波回路の別の態様は、前記アレイ導波路、前記第１のスラブ導波路、前記第２のスラブ導波路の少なくとも１つを横断するように形成された第１の溝であって、前記第１の溝が形成された導波路の実効屈折率温度係数とは異なる屈折率温度係数を有する材料が挿入されており、前記アレイ導波路回折格子の透過中心波長の温度依存性が補償される第１の溝と、前記第１のアーム導波路または前記第２のアーム導波路の内の、少なくとも長いほうの一方に形成された第２の溝であって、前記第２の溝が形成された導波路の実効屈折率温度係数とは異なる屈折率温度係数を有する材料が挿入されており、前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路の光路長差の温度依存性が補償される第２の溝と、前記第３のアーム導波路および前記第４のアーム導波路の内の、少なくとも長いほうの一方に形成された第３の溝であって、前記第３の溝が形成された導波路の実効屈折率温度係数とは異なる屈折率温度係数を有する材料が挿入されており、前記第３のアーム導波路および前記第４のアーム導波路の光路長差の温度依存性が補償される第３の溝とを備えることを特徴とする。

好ましくは、前記第１の溝、前記第２の溝および前記第３の溝の内の少なくとも１つは、光の進行方向に対して複数個の溝に分割されるのが良い。

本発明の光合分波回路は、さらに、光モジュールにも適用できる。すなわち、本発明の別実施形態の光モジュールは、上述の少なくとも１つの第１のタイプの光波長合分波回路と、前記第１のタイプの光波長合分波回路の透過強度スペクトルと同一形状の透過強度スペクトルと、群遅延時間軸方向に関して、前記第１のタイプの光波長合分波回路の透過群遅延時間スペクトルを反転した形状の透過群遅延時間スペクトルとを有し、前記第１のタイプと同数の第２のタイプの光波長合分波回路とを備え、前記第２のタイプの光波長合分波回路は、前記第１のタイプの光波長合分波回路の前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路の光路長差の値の正負を反転し、かつ前記第１のタイプの光波長合分波回路の前記第３のアーム導波路および前記第４のアーム導波路の光路長差の値の正負を反転するように構成されていることを特徴とする。ここで、反転した形状の透過群遅延時間スペクトルは、群遅延時間が一定の定群遅延時間線を線対称軸として、遅延時間軸方向に関して反転した透過群遅延時間スペクトルを持つ。

また、本発明のさらに別実施形態の光モジュールは、上述の少なくとも１つの第１のタイプの光波長合分波回路と、前記第１のタイプの光波長合分波回路の透過強度スペクトルと同一形状の透過強度スペクトルと、群遅延時間軸方向に関して、前記第１のタイプの光波長合分波回路の透過群遅延時間スペクトルを反転させた形状の透過群遅延時間スペクトルとを有し、前記第１のタイプと同数の第２のタイプの光波長合分波回路とを備え、前記第２のタイプの光波長合分波回路は、前記第１のタイプの光波長合分波回路の前記第１の入出力導波路と前記前段光カプラの２つの入力との接続が入替えられ、かつ前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路の光路長差に半波長分の光路長が追加され、かつ前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路と前記光モード合成カプラの２つの入力との接続が入替えられ、かつ前記光モード合成カプラが入射軸に対し線対称に反転させて配置されるよう構成されていることを特徴とする。ここで、反転した形状の透過群遅延時間スペクトルは、群遅延時間が一定の定群遅延時間線を線対称軸として、遅延時間軸方向に関して反転した透過群遅延時間スペクトルを持つ。

本発明の光合分波回路および光モジュールは、さらに、光通信システムにも拡張できることは言うまでもない。すなわち、前記第１のタイプの波長合分波回路と、同数の前記第２のタイプの波長合分波回路とを、光通信ネットワークの同一伝送区間内に配置することができる。第１のタイプおよび第２のタイプの２つのＡＷＧ型光波長合分波回路を組み合わせて、平坦な群遅延特性を実現することが可能となる。

以上説明したように、本発明によって、従来技術の同期ＡＷＧにおいて透過帯域の帯域幅が制限されていた問題を解決することができる。透過帯域の平坦性および広い帯域幅の２つの要請を両立することができる。さらに、温度補償された光波長合分波回路を実現できる。１つの信号光が多くの地点を通過するような通信システムにおいても、十分に適用できる光波長合分波回路が実現される。また、群遅延時間軸方向に関して透過群遅延特性スペクトルが反転した本発明の光波長合分波回路を対として組み合わせて用いることにより、透過群遅延特性スペクトルを平坦化し、伝送品質の劣化が少ない光通信システムの構築が可能になる。

図１は、本発明の光波長合分波回路の構成を示し、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は光モード合成カプラと第１のスラブ導波路との境界近傍の拡大図を示した図である。 図２は、光モード合成カプラおよび第１のスラブ導波路が接続する端面で生じる光フィールド分布を示し、（ａ）は基底モード、（ｂ）は１次モードを示す。 図３は、本発明の光波長合分波回路における光スプリッタの分岐比変化を示した図である。 図４は、光スプリッタにより透過率変化が与えられたときの、合成光フィールド分布の光周波数変化を（ａ）、（ｂ）、（ｃ）で示した図である。 図５は、本発明の第１の実施例に係る光波長合分波回路の構成図である。 図６は、第１の実施例の光波長合分波回路における、光スプリッタから第１のスラブ導波路に至る部分を拡大した平面図である。 図７は、第１の実施例の光波長合分波回路における光減衰器の透過率変化を示した図である。 図８は、第１の実施例に係る光波長合分波回路の透過強度スペクトル波形を示した図である。 図９は、図８に示した透過強度スペクトル波形の先端付近の拡大図である。 図１０は、別構成による光モード合成カプラ近傍を拡大して示した構成図である。 図１１は、さらに別構成の光モード合成カプラ近傍を拡大して示した構成図である。 図１２は、他の構成の光モード合成カプラ近傍を拡大して示した構成図である。 図１３は、図５に示した光波長合分波回路においてさらに透過波長の温度依存性を抑制した実施例の構成を示した図である。 図１４は、温度依存性を抑制した実施例の、光スプリッタから第１のスラブ導波路に至る部分を拡大した図である。 図１５は、本発明の第２の実施例に係る光波長合分波回路の構成図である。 図１６は、第２の実施例の光波長合分波回路における、光スプリッタから第１のスラブ導波路に至る部分を拡大した図である。 図１７は、第２の実施例の光波長合分波回路における光スプリッタの分岐比変化を示す図である。 図１８は、第２の実施例に係る光波長合分波回路の透過強度スペクトル波形を示した図である。 図１９は、図１８の透過強度スペクトル波形の先端付近を拡大して示した図である。 図２０は、光スプリッタから第１のスラブ導波路に至る部分の、別の構成例を示した図である。 図２１は、図１５に示した光波長合分波回路において、さらに透過中心波長の温度依存性を抑制した実施例の構成を示した図である。 図２２は、温度依存性を抑制した実施例の、光スプリッタから第１のスラブ導波路に至る部分を拡大して示した図である。 図２３は、従来技術の同期ＡＷＧ型の光波長合分波回路の一例の構成図である。 図２４は、従来技術の光波長合分波回路における光モード合成カプラ近傍の構成図である。 図２５は、１次モード光の強度比をパラメータとして、従来技術の同期ＡＷＧの透過強度スペクトル波形を示したグラフである。 図２６は、図２５に示した透過特性の先端付近の強度スペクトル波形を拡大して示した図である。 図２７は、１次モード光の強度比をパラメータとして、従来技術の同期ＡＷＧの透過強度スペクトルおよび透過群遅延特性スペクトルを示した図である。 図２８は、第３の実施例に係る第１の構成の光波長合分波回路の構成図である。 図２９は、第１の構成の光波長合分波回路の透過強度スペクトルおよび透過群遅延特性スペクトルを示した図である。 図３０は、第３の実施例に係る第２の構成の光波長合分波回路の構成図である。 図３１は、第２の構成の光波長合分波回路の、透過強度スペクトルおよび透過群遅延特性スペクトルを示した図である。 図３２は、第３の実施例に係る第３の構成の光波長合分波回路の構成図である。 図３３は、第３の構成の光波長合分波回路の、透過強度スペクトルおよび透過群遅延特性スペクトルを示した図である。 図３４は、第３の実施例に係る第１の構成および第３の構成を同一チップ内に集積した光波長合分波回路の構成図である。 図３５は、第３の実施例に係る光波長合分波回路を含む光モジュールの構成図である。 図３６は、第３の実施例に係る光波長合分波回路を含む光通信システムの構成図である。

既に述べたように、同期ＡＷＧ型の光波長合分波回路においては、基底モード光と１次モード光との合成光フィールドの形状は、１次モード光の強度比が高まるにしたがって、基底モード光のフィールドの形状から逸脱し変形する。本発明の発明者は、合成光フィールドのピーク位置が変位中央付近（ｐ＝０）にあるときに、特にその変形の程度が著しいことに着目した。すなわち、１次モード光の強度比を光周波数に応じて変調することによって、合成光フィールドのピーク位置が変位中央付近にあるときに強度比が極小となるようにすることができる。これによって、合成光フィールドの形状の変形を抑え、透過中心光周波数付近において損失が増えるのを抑えることができる。本発明においては、干渉回路の光スプリッタに着目した。光スプリッタ自体に、光スプリッタからの２つの出力の分岐比が光周波数によって周期的に変化する機構を与えることによって、１次モード光の強度比を変調することができる。以下、詳細に本発明の光波長合分波回路の構成および動作を説明する。

本発明の光波長合分波回路は、同期ＡＷＧであって、一方のスラブ導波路側に接続された干渉回路内に設置された光スプリッタにおいて、２つの出力間の分岐比が光周波数によって変化し、同期ＡＷＧの透過中心光周波数付近で極小値をとる。透過中心光周波数からある程度離れた光周波数では、分岐比が比較的大きくなるように動作する。光スプリッタの分岐比変化の周期は、同期ＡＷＧの光周波数チャネル間隔を自然数（１、２、．．．）で除した光周波数とすることができる。透過中心光周波数付近ではなるべく分岐比を小さくするという要請から、好ましくは自然数は１または２とするのが良い。すなわち、光スプリッタにおける分岐比の変化周期は、同期ＡＷＧの光周波数チャネル間隔と同一か、または半分とするのが好ましい。

図１の（ａ）は、本発明の光波長合分波回路の構成図である。光波長合分波回路１００は、第１のスラブ導波路１０１、アレイ導波路１０２、第２のスラブ導波路１０３、第２の入出力導波路１０４および第１の入出力導波路１０５を備える。第１の入出力導波路１０５と第１のスラブ導波路１０１との間には、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および光モード合成カプラ１０９が順次接続され、干渉回路を構成する。本発明の光波長合分波回路においては、光スプリッタ１０６の分岐比が光周波数に対して周期的に変化する。

図１の（ｂ）は、（ａ）における光モード合成カプラと第１のスラブ導波路との境界近傍であるＢ部を拡大して示した図である。光モード合成カプラ１０９によって、第１のスラブ導波路と接続する端面には、基底モード光および１次モード光フィールドの合成光フィールドが生じる。合成光フィールドのピーク位置は、接続端面に接するｐ軸上を、ｐ＝０を中心として正負の両側に変位するのは既に述べたとおりである。

図２は、光モード合成カプラおよび第１のスラブ導波路が接続する端面で生じている各モードの光フィールド分布の例を示した図である。光モード合成カプラ１０９および第１のスラブ導波路１０１が接続する端面で生じている（ａ）基底モード光フィールド分布、（ｂ）１次モード光フィールド分布の例を示した。横軸は、図１におけるｐ座標軸に対応し、光モード合成カプラ１０９の中心位置をｐ＝０としている。

図３は、本発明の波長合分波回路における光スプリッタの分岐比変化の例を示した図である。横軸は、あるチャネルの光周波数をゼロとし、光周波数チャネル間隔を１とした規格化された光周波数を示した。縦軸は、分岐比を真数（％）で示した。ここで分岐比とは、全体の光パワーに対して、第１のアーム導波路１０７に分岐される光パワーの比をいう。透過率変化として、０〜２０％の範囲で変化するコサインカーブを例示的に示した。実線は、分岐比変化の周期が光周波数チャネル間隔と同一の場合を示し、破線は、分岐比変化の周期が光周波数チャネル間隔の半分である場合を示している。比較として、一点破線で、従来技術の同期ＡＷＧにおける光スプリッタの場合を示しており、分岐比は２０％で一定である。

図４は、光スプリッタにより分岐比変化が与えられたときの、２つのモード光の合成光フィールド分布の光周波数変化を示した図である。図３に示した各分岐比変化が与えられた場合について、図２に示した２つのモード光の合成光フィールド分布の光周波数による変化を示している。図４において、（ａ）は分岐比が２０％一定である従来技術の同期ＡＷＧの場合を、（ｂ）は光スプリッタの分岐比変化の周期が光周波数チャネル間隔と同一の場合を、（ｃ）は光スプリッタの分岐比変化の周期が光周波数チャネル間隔の半分の場合をそれぞれ示した。各場合について、実線で合成光フィールドのピーク位置が中央にある場合（ｐ＝０）と、２種類の破線で合成光フィールドのピーク位置が中央から最も離れた最大変位位置にある場合の分布をそれぞれ示している。

図４の（ａ）からわかるように、従来技術による同期ＡＷＧの合成光フィールドにおいては、合成光フィールドのピーク位置が中央付近（ｐ＝０）にある場合、フィールドプロファイルのピーク部が圧縮されており、基底モード光フィールド形状からの変形がみられる。これは、光モード合成カプラによって合成された１次モード光の影響によるものである。この合成光フィールド形状の変形に起因して、同期ＡＷＧの透過中心光周波数の近傍で損失が増大する傾向にある。したがって、従来技術の同期ＡＷＧを含む光波長合分波回路において平坦な透過特性を得るには、光モード合成カプラによって合成する１次モード光の強度比を、ある程度低く抑える必要がある。

一方、本発明による光スプリッタを備えた光モード合成カプラによる合成光フィールドにおいては、図４の（ｂ）、（ｃ）おいて、合成光フィールドのピーク位置が中央付近（ｐ＝０）にある場合であっても、基底モード光フィールドの形状から逸脱した変形は生じない。これは、光スプリッタ１０６における分岐比変化によって、１次モード光として結合すべき光波の強度が、ｐ軸上の合成光フィールドが中央付近（ｐ＝０）にあるとき、ほぼゼロとなっているためである。この光スプリッタ１０６の分岐比の変調作用により、同期ＡＷＧの透過中心光周波数の近傍においても損失増加が抑制される。全体として、合成する１次モード光の強度比を高めながらも透過帯域の平坦性を得ることが可能であり、広い透過帯域幅と平坦性を両立することができる。以下、本発明のより具体的な実施例について、詳細に説明する。

本発明の第１の実施例に係る光波長合分波回路は、同期ＡＷＧにおける光スプリッタの分岐比を、光周波数チャネル間隔と同一の周期で変化させた場合に対応する。

図５は、本実施例の同期ＡＷＧ型の光波長合分波回路の構成を示す平面図である。光波長合分波回路１１００は、第１のスラブ導波路１１０１、アレイ導波路１１０２、第２のスラブ導波路１１０３、第２の入出力導波路１１０４および第１の入出力導波路１１０５を備えている。第１の入出力導波路１１０５と第１のスラブ導波路１１０１との間には、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および光モード合成カプラ１１０９が順次接続されている。光スプリッタ１１０６の分岐比は、光周波数に応じて周期的に変化する。

各構成要素について詳細を説明すれば、光波長合分波回路１１００は、導波路の比屈折率差Δが１．５％、コア厚は４．５μｍである。アレイ導波路１１０２、第２の入出力導波路１１０４、第１の入出力導波路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、いずれも４．５μｍである。また、第１のスラブ導波路１１０１、第２のスラブ導波路１１０３の長さは、いずれも７６００μｍである。

第２の入出力導波路１１０４は、第２のスラブ導波路１１０３に接続する部分において、１５μｍ間隔で波長チャネル数の導波路が配置されている。その第２のスラブ導波路側の終端には、開口幅１２μｍの直線テーパ導波路が設けられている。また光波長合分波回路１１００は、波長チャネル数が４０、光周波数チャネル間隔が１００ＧＨｚ、中央のチャネル（２１番目のチャネル）の透過光周波数が１９４．１ＴＨｚに設計された。アレイ導波路１１０２の導波路本数は２００本であり、隣接するアレイ導波路間の長さの差は３３．９μｍである。第２のアーム導波路１１０８に対する第１のアーム導波路１１０７の長さの差は、２０２０μｍである。

図６は、本実施例の光波長合分波回路において、光スプリッタ１１０６から第１のスラブ導波路１１０１に至る部分を拡大して示した平面図である。以下、各構成要素のさらに具体的な構成について説明する。

光スプリッタ１１０６は、第３のアーム導波路１２０１、第４のアーム導波路１２０２、前段光スプリッタとして機能する方向性結合器１２０３および後段光カプラとして機能する方向性結合器１２０４から構成される。光モード合成カプラ１１０９は、導波路幅の非対称な方向性結合器によって構成される。導波路１１０９ａおよび導波路１１０９ｂは、それぞれ第１アーム導波路１１０７および第２のアーム導波路１１０８に接続される。導波路１１０９ａの導波路幅は２．５μｍ、導波路１１０９ｂの導波路幅は８μｍであり、長さはいずれも５００μｍとしている。導波路１１０９ａにおける基底モード光の実効屈折率と、導波路１１０９ｂにおける１次モード光の実効屈折率とはほぼ一致している。したがって、導波路１１０９ａに入力した光はおおよそ１００％導波路１１０９ｂの１次モードに結合し、光モード合成カプラとして動作する。導波路１１０９ｂは、さらにマルチモード導波路１２０４、１２０６に接続される。２つのマルチモード導波路１２０４、１２０６間には、テーパ導波路１２０５が配置される。第１のスラブ導波路１１０１に接続する導波路１２０６の幅は、１７μｍとした。

光スプリッタ１１０６においては、第４のアーム導波路１２０２に対する第３のアーム導波路１２０１の長さの差は２０２０μｍである。また、方向性結合器１２０３の結合率は２．５％に、方向性結合器１２０４の結合率は１０％にそれぞれ設計された。

図７は、本実施例の光波長合分波回路における光スプリッタの分岐比変化を示す図である。横軸は、規格化した光周波数であって、あるチャネルの透過中心光周波数をゼロとし、光周波数チャネル間隔を１としている。ここで分岐比とは、全体の光パワーに対し第１のアーム導波路１１０７に分岐する光パワーの比率を言う。本実施例では、光スプリッタ１１０６の分岐比は、３％から２１％の範囲で、光周波数チャネル間隔と同一の周期で変化している。すなわち、光スプリッタ１１０６は、その分岐比が光周波数によって変化し、同期ＡＷＧの透過中心光周波数付近では極小値３％をとる。そして、透過中心光周波数からある程度離れた光周波数では、分岐比が比較的大きくなるように動作していることに注意されたい。

図８は、本実施例の光波長合分波回路における、中央のチャネル（２１番目のチャネル）の透過スペクトル波形を示した図である。横軸は、光周波数（ＴＨｚ）を示し、縦軸は透過率をｄＢで表示した。

図９は、図８の透過スペクトル波形の先端部分を拡大して示した図である。横軸を２倍に、縦軸を１０倍にそれぞれ拡大している。図８および図９からわかるように、本実施例の光波長合分波回路は、透過帯域の平坦さを維持しながら、従来技術に比べて帯域幅の拡大を実現している。本実施例において０．５ｄＢ透過帯域幅は６４ＧＨｚであり、光周波数チャネル間隔（１００ＧＨｚ）の６４％を実現している。従来技術では、０．５ｄＢ帯域幅は、最大でも光周波数チャネル間隔の４５％程度が限界であったのと比べて、１９％も拡大している。

本実施例では、図６に示したように、光モード合成カプラ１１０９として、導波路幅が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の実現方法はこの構成に限定されず、様々な方法を利用できる。

図１０は、別構成による光モード合成カプラ近傍を拡大して示した構成図である。図１０の構成は、図６の構成と同様に非対称な方向性結合器を含む。しかし、一方の導波路１１０９ａが、さらに接続される出力導波路を経て溝１３０１によって終端されている点で、図６の構成と相違する。溝１３０１には光を吸収するような遮光材料が挿入されており、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。この構成により、図６の構成と比較して、導波路１１０９ａから導波路１１０９ｂに結合せずに僅かに残る光を遮断することができる。第１のスラブ導波路１１０１などに迷光が侵入することを抑制し、また再び出力導波路方向へ反射する光を抑制することもできるため、よりクロストークおよび反射特性に優れた光波長合分波回路を実現できる特徴を持つ。

図１１は、さらに別の構成による光モード合成カプラ近傍を拡大して示した構成図である。本構成も、図６の構成と同様に非対称な方向性結合器を含む。しかし、導波路１１０９ａはその幅が徐々に狭くなり、幅が０となって終端する構造になっている点で、図６の構成と相違する。導波路１１０９ａ、１１０９ｂの長さは、それぞれ１５００μｍとした。この構成により、図６の構成に比較して、導波路１１０９ａから導波路１１０９ｂへの光波の結合率をさらに１００％に近づけることができるため、より損失特性に優れた光波長合分波回路が実現可能である。

図１２は、他の構成による光モード合成カプラ近傍を拡大して示した構成図である。本構成においては、光モード合成カプラ１１０９は２つのマルチモード干渉回路（ＭＭＩ）から構成される。この構成については詳しくは、非特許文献１に記載されている。 本光モード合成カプラ１１０９は、第１のＭＭＩ１４０１、第２のＭＭＩ１４０２、中間導波路１４０３、１４０４、１４０５から構成される。第１のＭＭＩ１４０１は幅２０μｍ、長さ７５４μｍであり、第２のＭＭＩ１４０２は幅２０μｍ、長さ３７７μｍである。さらに、中間導波路１４０３は幅４．５μｍ、長さ５０μｍであり、中間導波路１４０４は幅４．５μｍ、長さ５１．５μｍであり、中間導波路１４０５は幅４．５μｍ、長さ５３μｍである。

一般に、ＭＭＩは方向性結合器と比較して、導波路幅の変化に対する分岐特性の変化が小さい。本構成により、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でも、アーム導波路１４０７から入力した基底モード光がマルチモード導波路１２０５の一次モードに結合する結合率が影響されない。このため、作製トレランスがより緩和され生産性に優れた光波長合分波回路を実現可能することができる。

図１３は、図５に示した光波長合分波回路において、さらに透過中心波長の温度依存性を抑制した実施例の構成を示した図である。図５に示した構成と相違しているスラブ導波路上に形成された溝について説明する。ＡＷＧ等の透過波長の温度依存性を抑制する手法については、特許文献２に開示されている。

図１４は、温度依存性を抑制した本実施例の構成の光スプリッタから第１のスラブ導波路に至る部分を拡大した図である。ここでも、図６に示した構成と相違しているアーム導波路上に形成された溝について説明する。

図１３では、第１のスラブ導波路１１０１上には導波路を分断するように溝１９０１が形成されている。また図１４では、第１のアーム導波路１１０７および第３のアーム導波路１２０１を分断するように溝１９０２および溝１９０３が形成されている。いずれの溝にも、導波路の実効屈折率温度係数とは異なる屈折率温度係数を有する材料（温度補償材料）が挿入されている。

図１３の溝１９０１は、光波の波長に応じてその溝幅が変るように、円弧状に湾曲した三角形状をしている。より詳細には、第１のスラブ導波路１１０１を伝播し、アレイ導波路１１０２内の１つの導波路に入力する光波が通過するときのその光波が横切る溝幅Ｗ_１と、アレイ導波路１１０２内の先の導波路よりも１本外側にある導波路に入力する光波が通過するときのその光波が横切る溝幅Ｗ_２との差が、次式の関係を満たす。

Ｗ_１―Ｗ_２＝−α／α’×ΔＬ 式（１）

ここで、ΔＬは隣接するアレイ導波路の長さの差を、αはアレイ導波路の実効屈折率温度係数を、α’は挿入される温度補償材料の屈折率温度係数をそれぞれ示す。溝における光波の回折損失を極力抑制するため、溝１９０１は８分割されている。尚、溝１９０１は、分割された溝の幅の総和が、式（１）の条件を満たすように設定される。

図１４の溝１９０２は、−α／α’・Δｌ_１なる溝幅を有している。ここで、Δｌ_１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の長さの差である。また、溝１９０３は、−α／α’・Δｌ_２なる溝幅を有している。ここで、Δｌ_２は第４のアーム導波路１２０２に対する第３のアーム導波路１２０１の長さの差である。溝における光波の回折損失を極力抑制するため、溝１９０２および溝１９０３も６分割されて配置されている。

温度補償材料としては、溝への実装が容易で透明な材料が好ましい。また、各溝における溝幅が狭いほど、光波の回折損失を抑制することができる。この観点からα’の絶対値はなるべく大きく、またその符号がαと逆であることが好ましい。導波路材料が石英系（α＝１×１０^−５［℃^−１］）の場合、好適な温度補償材料として、例えばシリコーン樹脂（α’＝−３．５×１０^−４［℃^−１］）がある。

上述の実施形態では、第１のスラブ導波路上に溝を形成し温度補償材料を充填する構成を示したが、この構成に限定されない。すなわち、溝を第２のスラブ導波路に形成する構成、アレイ導波路に形成する構成またはこれらの複数の部位に形成する構成の場合でも、同様な効果を得ることができる。

上述のように、本実施例の光波長合分波回路によれば、同期ＡＷＧの透過中心光周波数の近傍においても損失増加が抑制される。全体として、合成する１次モード光の強度比を高めながらも透過帯域の平坦性を得ることができる。広い透過帯域幅と平坦性を両立するとともにさらに温度補償された光波長合分波回路を実現できる。

本発明の第２の実施例に係る光波長合分波回路は、同期ＡＷＧにおける光スプリッタの分岐比を、光周波数チャネル間隔の半分の周期で変化させた場合に対応する。

図１５は、本実施例における、同期ＡＷＧ型の光波長合分波回路の構成を示す平面図である。本実施例の光波長合分波回路２１００は、第１のスラブ導波路２１０１、アレイ導波路２１０２、第２のスラブ導波路２１０３、第２の入出力導波路２１０４および第１の入出力導波路２１０５を備える。第１の入出力導波路２１０５と第１のスラブ導波路２１０１との間には、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および光モード合成カプラ２１０９が順次接続される。光スプリッタ２１０６の分岐比は、光周波数に応じて、周期的に変化する。

各構成要素について詳細を説明すれば、光波長合分波回路２１００は、導波路の比屈折率差Δが１．５％、コア厚４．５μｍである。アレイ導波路２１０２、第２の入出力導波路２１０４、第１の入出力導波路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、それぞれ４．５μｍである。第１のスラブ導波路２１０１、第２のスラブ導波路２１０３の長さは、それぞれ７６００μｍである。第２の入出力導波路２１０４は、第２のスラブ導波路２１０３に接続する部分において、波長チャネル数の導波路が１５μｍ間隔で配置されている。第２のスラブ導波路２１０３側の終端には、開口幅１２．５μｍの直線テーパ導波路が設けられている。

光波長合分波回路２１００は、波長チャネル数４０、光周波数チャネル間隔１００ＧＨｚ、中央のチャネル（２１番目のチャネル）の透過光周波数１９４．１ＴＨｚと設計された。アレイ導波路２１０２の導波路本数は２００本であり、隣接するアレイ導波路の長さの差は３３．９μｍである。第２のアーム導波路２１０８に対する第１のアーム導波路２１０７の長さの差は、２０２０μｍである。

図１６は、本実施例の光波長合分波回路において、光スプリッタ２１０６から第１のスラブ導波路２１０１に至る部分を拡大して示した平面図である。以下、各構成要素のさらに具体的な構成について説明する。

光スプリッタ２１０６は、第３のアーム導波路２２０１、第４のアーム導波路２２０２、前段光スプリッタとして機能する方向性結合器２２０３および後段光カプラとして機能する方向性結合器２２０４から構成される。光モード合成カプラ２１０９は、導波路幅の非対称な方向性結合器で構成される。導波路２１０９ａおよび導波路２１０９ｂは、それぞれ第１のアーム導波路２１０７および第２のアーム導波路２１０８に接続される。光モード合成カプラ２１０９において、導波路２１０９ａの幅は、２．５μｍから徐々に狭めながら終端している。導波路２１０９ｂの幅は、一定の８μｍである。

方向性結合器２２０２、２２０３の長さは、それぞれ１５００μｍとした。導波路２１０９ａに入力した光は、ほぼ１００％導波路２１０９ｂの１次モードに結合し、光モード合成カプラとして動作する。導波路２１０９ｂは、マルチモード導波路２２０５、２２０７にさらに接続される。マルチモード導波路２２０５、２２０７の間には、テーパ導波路２２０６が配置される。第１のスラブ導波路２１０１に接続する導波路２２０７の幅は、１６．５μｍに設計された。

光スプリッタ２１０６において、第４のアーム導波路２２０２に対する第３のアーム導波路２２０１の長さの差は、４０４１μｍである。また、方向性結合器２２０３の結合率は１４．４％に、方向性結合器２２０４の結合率も１４．４％にそれぞれ設計された。

図１７は、本実施例の光波長合分波回路における光スプリッタの分岐比変化を示す図である。横軸は規格化した光周波数であって、あるチャネルの透過中心光周波数をゼロとし、光周波数チャネル間隔を１としている。ここで分岐比とは、全体の光パワーに対し第１のアーム導波路に分岐する光パワーの比率である。本実施例において光スプリッタ２１０６の分岐比は、０％から５０％の範囲で、光周波数チャネル間隔の半分の周期で変化している。すなわち、光スプリッタ２１０６は、その分岐比が光周波数によって変化し、同期ＡＷＧの透過中心光周波数付近では極小値０％をとる。透過中心光周波数からある程度離れた光周波数では、透過率が比較的大きくなるように動作していることに注意されたい。

図１８は、本実施例の光波長合分波回路２１００における、中央のチャネル（２１番目のチャネル）の透過スペクトル波形を示した図である。横軸は、光周波数（ＴＨｚ）を示し、縦軸は透過率（ｄＢ）を示した。

図１９は、図１８の透過スペクトル波形の先端部分を拡大して示した図である。横軸を２倍に、縦軸を１０倍にそれぞれ拡大している。図１８および図１９からわかるように、本実施例の光波長合分波回路２１００は、透過帯域の平坦性を維持しながら、従来技術と比べて帯域幅の拡大を実現している。本実施例では、０．５ｄＢ透過帯域幅は６２ＧＨｚであり、光周波数チャネル間隔（１００ＧＨｚ）の６２％を実現している。従来技術では、０．５ｄＢ帯域幅は光周波数チャネル間隔の４５％程度が限界であったのと比べて、１７％も拡大している。

図２０は、本実施例の光波長合分波回路における、光スプリッタから第１のスラブ導波路に至る部分の別の構成例を示す平面図である。図１６に示した構成とは異なるが、同様の動作を実現することができる。第１のアーム導波路２１０７、第２のアーム導波路２１０８および光モード合成カプラ２１０９の構成ならびに設計は、図１６に示した構成のものと同様である。本実施例における光スプリッタ２１０６は、第３のアーム導波路２２０１に対して第４のアーム導波路２２０２の導波路長がより長く、その長さの差は４０４１μｍである。方向性結合器２２０３の結合率は１４．４％に、方向性結合器２２０４の結合率は１４．４％にそれぞれ設計された。本構成の光波長合分波回路においても、図１８および図１９に示した透過特性と同様に、広帯域および平坦性を備えた優れた透過特性を実現可能である。

図２１は、図１５に示した光波長合分波回路において、さらに透過中心波長の温度依存性を抑制した実施例の構成を示した図である。以下、図１５に示した構成と相違している、スラブ導波路上に形成された溝について説明する。

図２２は、温度依存性を抑制した本実施例の構成の光スプリッタから第１のスラブ導波路に至る部分を拡大して示した図である。ここでも、図２０に示した構成と相違している、アーム導波路上に形成された溝について説明する。

図２１に示したように、第１のスラブ導波路２１０１上には導波路を分断するように溝２９０１が形成されている。また図２２では、第１のアーム導波路２１０７および第３のアーム導波路２２０２を分断するように、溝２９０２および溝２９０３が形成されている。いずれの溝にも、導波路の実効屈折率温度係数とは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、シリコーン樹脂が挿入されている。

図２１に示した溝２９０１は、光波の波長に応じてその溝幅が変るように、円弧状に湾曲した三角形状をしている。より詳細には、第１のスラブ導波路２１０１を伝播し、アレイ導波路２１０２内の１つの導波路に入力する光波が通過するときのその光波が横切る溝幅Ｗ_１と、アレイ導波路２１０２内の先の導波路よりも１本外側にある導波路に入力する光波が通過するときのその光波が横切る溝幅Ｗ_２との差が、次式の関係を満たす。

Ｗ_１―Ｗ_２＝−α／α’×ΔＬ 式（２）

ここで、ΔＬは隣接するアレイ導波路の長さの差を、αはアレイ導波路の実効屈折率温度係数を、α’は挿入される温度補償材料の屈折率温度係数をそれぞれ示す。溝における光波の回折損失をできるだけ抑制するため、溝２９０１は８分割されている。尚、溝２９０１は、分割された溝の幅の総和が、式（２）の条件を満たすように設定される。

図２２に示した溝２９０２は、−α／α’・Δｌ_１なる溝幅を有している。ここで、Δｌ_１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の長さの差である。また、溝２９０３は、−α／α’・Δｌ_２なる溝幅を有している。ここで、Δｌ_２は第３のアーム導波路２２０１に対する第４のアーム導波路２２０２の長さの差である。溝における光波の回折損失をできるだけ抑制するため、溝２９０２は６分割、溝２９０３は１０分割されて配置されている。回折損失を所定の値以下に抑制するためには、溝幅の総和が大きくなるにしたがって、分割数を増加することが好ましい。

本実施例では、第１のスラブ導波路上に溝を形成し温度補償材料を充填する構成を示したが、この構成に限定されない。溝を、第２のスラブ導波路に形成したり、アレイ導波路に形成したりまたはこれらの複数の部位に形成したりすることもできる。

本発明の第３の実施例に係る光波長合分波回路は、広帯域性および平坦性を備えた透過強度スペクトルを保持したままで、さらに群遅延時間軸方向に関して群遅延時間一定の線（以下、定群遅延時間線と呼ぶ）を線対称軸として、反転した透過群遅延特性スペクトルを持つ点に特徴がある。この反転した透過群遅延特性スペクトルを持つ光波長合分波回路を組み合わせて用いることによって、個々の光波長合分波回路が持つ、定群遅延時間線を基準とした群遅延時間の偏差を相殺することができる。光モジュール全体において群遅延時間の偏差が十分に低減され、伝送歪みを抑えた光モジュールを構成することができる。また、本実施例の異なる透過群遅延特性スペクトルを持つ光波長合分波回路を対として組み合わせて、伝送品質劣化を抑えた光通信システムを実現することができる。以下、まず反転した透過群遅延特性スペクトルを持つ光波長合分波回路について述べる。

図２８は、本実施例の光波長合分波回路の第１の構成を示した図である。（ａ）は全体構成を示し、（ｂ）はマルチモード導波路４１０９近傍の拡大図を示している。本実施例の光波長合分波回路４１００は、図２０に示した光波長合分波回路を、チップ面積がより小さくなるようにレイアウトした回路構成を持つ。本実施例においては、第２のアーム導波路４１０８の導波路長を、第１のアーム導波路４１０７に対してより短くし、２つのアーム導波路長さの差は２０２０μｍとした。また、本実施例における光スプリッタ４１０６では、第３のアーム導波路４２０１に対して第４のアーム導波路４２０２の導波路長をより長くし、その長さの差は４０４１μｍとした。方向性結合器４２０３の結合率は１４．４％に、方向性結合器４２０４の結合率は１４．４％にそれぞれ設計された。その他の回路パラメータは図２０に示した光波長合分波回路と同じ値を用いた。

図２９は、本実施例の光波長合分波回路の第１の構成の透過強度スペクトルおよび透過群遅延特性スペクトルを示した図である。本構成の光波長合分波回路は、回路構成のレイアウトが見直されただけなので、実施例２で説明した図１８に示したのと同様の広帯域性および平坦性を備えた透過強度スペクトルが得られている。透過群遅延特性スペクトルについては、群遅延時間の偏差は±５ｐｓ以内の範囲内にあり小さく抑えられているものの、アルファベットの「Ｍ」状のスペクトル形状を持っている。

図３０は、本実施例の光波長合分波回路の第２の構成を示した図である。（ａ）は全体構成を示し、（ｂ）はマルチモード導波路４１０９近傍の拡大図を示している。本光波長合分波回路５１００は、図２８に示した光波長合分波回路４１００と透過強度スペクトルが等しく、かつ透過群遅延特性スペクトルが反転するように設計されている。図２８に示した光波長合分波回路４１００と比較すると、第１のアーム導波路５１０７および第２のアーム導波路５１０８の光路長差の値の正負が反転するように、第１のアーム導波路５１０７に対して第２のアーム導波路５１０８の導波路長をより長くし、その長さの差を２０２０μｍとした。さらに、図２８に示した光波長合分波回路４１００と比較して、光スプリッタ５１０６中の第３のアーム導波路５２０１および前記第４のアーム導波路５２０２の光路長差の値の正負が反転するように、第３のアーム導波路５２０１に対して第４のアーム導波路５２０２の導波路長をより短くし、その長さの差を４０４１μｍに設計した。その他の回路パラメータについては、図２８に示した光波長合分波回路４１００と同じ値を用いた。

図３１は、本実施例の光波長合分波回路の第２の構成の透過強度スペクトルおよび透過群遅延特性スペクトルを示した図である。透過強度スペクトルについては、図２９に示したほぼ同じ形状の、広帯域性および平坦性を備えたスペクトルが得られている。透過群遅延特性スペクトルについては、図２９に示した第１の構成の透過群遅延特性スペクトルと同様に群遅延時間の偏差が±５ｐｓ以内に小さく抑えられている。しかし第１の構成と異なり、第２の構成の光波長合分波回路５１００は、アルファベットの「Ｗ」状の透過群遅延特性スペクトルを持っている。さらに、この「Ｗ」状の透過群遅延特性スペクトルは、図２９で示した第１の構成による「Ｍ」状の透過群遅延特性スペクトルを、ほぼ完全に、群遅延時間軸方向に関して反転させたものになっている。つまり、第２の構成の光波長合分波回路は、群遅延時間軸方向に関して、ある定群遅延時間線に対して第１の構成の光波長合分波回路の透過群遅延時間スペクトルを反転させた形状の透過群遅延時間スペクトルとを持っている。

図３２は、図３０に示した第２の構成をさらに小型化した光波長合分波回路の第３の構成を示した図である。（ａ）は全体構成を示し、（ｂ）はマルチモード導波路４１０９近傍の拡大図を示している。本構成は、図３０に示した第２の構成の光波長合分波回路５１００と同様の反転した群遅延スペクトルを持つ。スプリッタ５１０６の全体レイアウト等だけではなく回路構成の細部が見直され、チップ面積の小型化を実現している。

図３２に示した第３の構成の光波長合分波回路６１００の構成は、図２８に示した第１の構成の光波長合分波回路４１００に比べて、以下の点で相違している。まず、第１の入出力導波路６１０５と、スプリッタ６１０６における前段の光カプラ６２０３の２つの入力との接続が入替えられている。また、第１のアーム導波路６１０７および第２のアーム導波路６１０８の光路長差に、半波長分の光路長が追加されている。さらに、光モード合成カプラ６１０９は、第１の構成と比べて入射軸に対し線対称に反転した位置に配置され、かつ第１のアーム導波路６１０７および第２のアーム導波路６１０８と光モード合成カプラ６１０９の２つの入力との接続が入替えられている。

図３３は、本実施例の光波長合分波回路の第３の構成の透過強度スペクトルおよび透過群遅延特性スペクトルを示した図である。透過強度スペクトルおよび透過群遅延特性スペクトル共に、図３１に示した第２の構成の光波長合分波回路５１００とほとんど同じ形状の透過スペクトル特性が得られた。つまり、第３の構成の光波長合分波回路は、群遅延時間軸方向に関して、ある定群遅延時間線に対して第１の構成の光波長合分波回路の透過群遅延時間スペクトルを反転させた形状の透過群遅延時間スペクトルとを持っている。

ここで簡単のため、上述の第１の構成の光波長合分波回路を、第１のタイプの光波長合分波回路呼ぶことにする。一方、第２の構成および第３の構成の光波長合分波回路は、いずれも、第１のタイプの光波長合分波回路と比較して、群遅延時間軸方向に関して反転させた特徴的な透過群遅延特性スペクトルを持っており、これを第２のタイプの光波長合分波回路と呼ぶ。

図３４は、第１の構成および第３の構成の２つの異なる光波長合分波回路を組み合わせた構成を示した図である。（ａ）は全体構成を示し、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれマルチモード導波路７１０９−１、７１０９−２の近傍の拡大図を示している。図２８に示した第１の構成の光波長合分波回路４１００と、図３２に示した第３の構成の光波長合分波回路６１００とを１つのチップ上に形成している。すなわち、第１のタイプの光波長合分波回路と第２のタイプの光波長合分波回路を組み合わせて構成されている。

図３４において、図の左下に位置しているスプリッタ７１０６−１が第１の構成のスプリッタに対応し、図の右上に位置しているスプリッタ７１０６−２が第３の構成のスプリッタに対応している。図３４に示した構成によれば、その形状が上下反転した関係にある「Ｗ」状または「Ｍ」状の透過群遅延特性スペクトルを持ち、かつ、ほぼ同一の広帯域性および平坦性を備えた透過強度スペクトルを持つ、第１のタイプおよび第２のタイプの２つのＡＷＧ型光波長合分波回路を、１つのチップ内にコンパクトに集積して構成することができる。

近年、装置小型化や部品集約の観点から、頻繁に使用される機能について複数の光デバイスを１つの光モジュール内に纏めることが一般的に行われている。その一例として、ＲＯＡＤＭ（Reconfigurable optical add drop module）と呼ばれる光モジュールがある。ＲＯＡＤＭモジュールでは、ＷＤＭ多重された入力光信号が分波用の光波長合分波回路で分波された後に、各波長の信号毎にドロップ（drop）またはアド（add）などの信号処理が行なわれる。最後に再び光波長合分波回路で各信号が合波されて、光モジュールからＷＤＭ多重化された光が出力される構成になっている。このようにＷＤＭ信号を一括して処理をする光モジュールでは、分波用の光波長合分波回路と合波用の光波長合分波回路とが対で用いることが多い。ＲＯＡＤＭモジュールはリング網などに用いられ、十数回以上直列に多段接続されても伝送信号の品質を劣化させないことが要求される。そのためＲＯＡＤＭモジュールには、透過帯域に対して高いレベルの広帯域性と平坦性が求められ、同時に透過群遅延特性スペクトルにも究極的な平坦化が必要とされる。

図３５は、本実施例による反転した群遅延スペクトルをもつ複数の光波長合分波回路を用いて、全体で透過群遅延特性スペクトルの偏差が相殺された光モジュールの構成図である。図３５に示した光モジュール８００１は、実施例３の構成の光波長合分波回路を用いたＲＯＡＤＭモジュールである。光波長合分波回路８００２、８００３、１×２光スイッチ８００４−１〜８００４−４および２×１光スイッチ８００５−１〜８００５−４を備えている。４つの各波長の信号毎に、ドロップまたはアドなどの信号処理を実行できる。

ＲＯＡＤＭモジュールにおいても、第１のタイプおよび第２のタイプの２つのＡＷＧ型光波長合分波回路を組み合わせて、平坦な群遅延特性を実現することが可能となる。具体的には、分波用の光波長合分波回路８００２については第１の構成を用い、合波用の光波長合分波回路８００３については第２または第３の構成の光波長合分波回路８００３を用いている。このＲＯＡＤＭモジュールの構成により、第１の構成による光合分波回路８００２の「Ｍ」状の透過群遅延特性スペクトルと、第２または第３の構成による光合分波回路８００３の「Ｗ」状の透過群遅延特性スペクトルとが互いに相殺される。従来のＲＯＡＤＭモジュールと比べて広帯域で平坦な透過帯域（透過強度スペクトル）を実現しながら、同時に、光モジュール８００１全体として平坦な群遅延特性（透過群遅延特性スペクトル）を実現することが可能となる。

図３６は、本実施例による光通信システム９００１の構成図である。群遅延時間軸方向に関して反転した透過群遅延特性スペクトルをもつ光波長合分波回路を用いることによって、伝送品質の劣化を小さく抑えることができる。光通信システム９００１は、Ｎ個のノード局９００５−１、９００５−２、・・９００５−Ｎが、リング網９００４内に接続されている。各ノード局は、光サーキュレータ９００６、光波長合分波回路９００２−１〜９００２−Ｎ、方向性結合器９２０３、位相器９００７、全反射端９００８などを備えている。

非常に安価な光伝送網を構築するためには、伝送品質の劣化を抑えたままで１つのノードあたりのデバイス点数も減らす必要がある。図３６に示した光通信システム９００１では、１つのノード局９００５―１〜９００５−Ｎに対して１つの光波長合分波回路９００２−１〜９００２−Ｎだけが配置されている。ここで、リング網９００４内に並んだ各ノード局９００５−１〜Ｎにおいて、光波長合分波回路９００２−１〜Ｎとして、第１の構成（第１のタイプ）と、第２の構成または第３の構成（第２のタイプ）とを交互に用いることにより、透過群遅延特性スペクトルを平坦化することができる。さらに、第１のタイプの光波長合分波回路と、同数の第２のタイプの光波長合分波回路とをネットワークの同一区間内に配置することで、透過群遅延特性スペクトルをより効果的に平坦化できる。

一例を挙げれば、Ｎを偶数とすると、光波長合分波回路９００２−１を第１の構成、光波長合分波回路９００２−２を第３の構成、光波長合分波回路９００２−３を再び第１の構成、・・光波長合分波回路９００２−Ｎを再び第３の構成とすることができる。すなわち、Ｎ／２個の第１の構成（第１のタイプ）の光波長合分波回路と、Ｎ／２個の第３の構成（第２のタイプ）の光波長合分波回路とを交互に配置することができる。これによって、リング網９００４内の伝送路の各区間で、透過群遅延特性スペクトルの偏差が累積されることなく、透過帯域の広帯域化と平坦化が実現可能になる。

上述の説明では、Ｎを偶数としたがこれに限定されることはない。Ｎが奇数であって第１のタイプと第２のタイプの光波長合分波回路が完全に同数でない場合でも、本実施例に係る光通信システムが、従来技術と比べて十分に平坦化された透過群遅延特性スペクトルを持つことは言うまでもない。光波長合分波回路１つ分の群遅延時間の偏差が残存したとしても、本実施例の反転した透過群遅延特性スペクトルをもつ光波長合分波回路を用いない従来技術の光通信システムの場合と比べて、本発明の光通信システム全体の群遅延時間の偏差は大幅に低減されている。

本発明の光波長合分波器を使用することで、各ノード局の透過帯幅域が拡大され、かつ透過振幅特性および透過群遅延特性いずれも平坦化されているので、光信号が多段のノード局を通過しても、伝送品質の劣化を小さく抑えられる。

以上詳細に説明してきたように、本発明による光波長合分波回路では、透過帯域の平坦性を維持しながらも、従来技術の同期ＡＷＧと比較して帯域幅を大幅に拡大しさらに温度依存性を解消することができる。また、本発明による光波長合分波回路を用いれば、同時に透過群遅延特性スペクトルの偏差も低減した光モジュールや光通信システムを実現できる。

上述の各実施形態では、導波路の比屈折率差、コア幅およびコア厚を特定の値に限定したが、本発明はこれらの値に限定されない。各実施形態では、同期ＡＷＧの設計パラメーターを特定の値に限定したが、同様にこれらのパラメーターに限定されない。さらに、上述の各実施形態では、光スプリッタの分岐比の変化範囲を特定の値に限定したが、本発明は、これらの値に限定されない。

上述の各実施形態では、後段光カプラの実現手段を方向性結合器として説明したが、本発明は、この実現手段に限定されない。所定の結合率を達成できる限り、どのようなカプラも適用できる。例えば、ＭＭＩなども適用可能である。

上述の各実施形態では、前段光スプリッタの実現手段を方向性結合器として説明したが、本発明は、この実現手段に限定されない。所定の分岐比を達成できる限り、どのようなスプリッタも適用できる。例えば、Ｙ分岐やＭＭＩなども適用可能である。

また、上述の各実施形態では、光モード合成カプラと第１のスラブ導波路との間に、マルチモード導波路およびテーパ導波路を設置したが、本発明はこの構成に限定されない。光モード合成カプラを第１のスラブ導波路に接続する構成としても有効である。

上述の各実施形態では、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、本発明は、この構成に限定されない。溝を第２のスラブ導波路に形成する構成、アレイ導波路に形成する構成またはそれら複数の部位に形成する構成においても、同様な効果を得ることができる。

また上述の各実施形態では、温度補償材料としてシリコーン樹脂を使用したが、本発明は、この材料に限定されない。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ても、同様な効果を得ることができる。

さらに上述の各実施形態では、温度補償材料を挿入する溝の分割数を特定の値に限定したが、本発明はこれらの数値に限定されない。溝の分割数によらず、あるいは溝が分割されてない場合でも、同様な効果を得ることができる。

以上詳細に説明したように、本発明の光波長合分波回路は、従来技術の同期ＡＷＧにおいて、干渉回路内の光スプリッタの分岐比を光周波数に応じて変調することによって、１次モード光の強度比を変調する。透過中心波長における損失を抑えて、従来技術における透過帯域の帯域幅の制限を解決する。透過帯域の平坦性および広い帯域幅を両立するとともに、さらに温度補償された光波長合分波回路を実現できる。また透過群遅延特性スペクトルが平坦な光モジュールも実現できる。１つの信号光が多くの地点を通過するような通信システムにおいても、十分に適用することができる光波長合分波回路が実現される。

本発明は、光通信に利用することができる。より具体的には、光波長合分波回路を含む光モジュール、光通信システムに利用することができる。

Claims (13)

1. アレイ導波路と、前記アレイ導波路の両端に接続された第１のスラブ導波路および第２のスラブ導波路とを含むアレイ導波路回折格子と、干渉回路を介して前記第１のスラブ導波路に光学的に接続された第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た光波長合分波回路において、
   前記干渉回路は、
   第１のアーム導波路と、
   前記第１のアーム導波路に並置され、長さの異なる第２のアーム導波路と、
   前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路の各一端と前記第１のスラブ導波路の端部との間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次モード光に結合させ、前記第１のスラブ導波路との接続面において、ピーク位置が周期的に変化する光フィールド分布を形成する光モード合成カプラと、
   前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路の各他端に接続された光スプリッタとを含み、
   前記干渉回路の光周波数周期が、前記アレイ導波路回折格子の光周波数チャネル間隔に一致しており、
   前記光スプリッタの分岐比が前記干渉回路の光周波数周期と同一または半分の周波数周期で変化し、前記アレイ導波路回折格子における各チャネルの透過中心光周波数の近傍で前記分岐比が極小値をとること
   を特徴とする光波長合分波回路。
2. 前記光スプリッタは、所定の光路長差を有する第３のアーム導波路および第４のアーム導波路と、前記２つのアーム導波路の両端に接続する前段光カプラおよび後段光カプラから構成され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. 前記前段光カプラおよび後段光カプラは、方向性結合器であることを特徴とする請求項２記載の光波長合分波回路。
4. 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た方向性結合器であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光波長合分波回路。
5. 前記方向性結合器の前記２本の導波路の内で、幅が狭い導波路は、前記第１のアーム導波路側からその幅を徐々に減少させ、特定の幅まで狭まった位置で終端す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. 前記方向性結合器の前記２本の導波路に内で、幅が狭い導波路は、光を減衰させる遮光材料が挿入された溝によって、所定の位置で終端され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。
7. 前記光モード合成カプラは、光の進行方向に縦列に連結された２つのマルチモード干渉回路から構成されることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光波長合分波回路。
8. 前記アレイ導波路、前記第１のスラブ導波路、前記第２のスラブ導波路の少なくとも１つを横断するように形成された第１の溝であって、前記第１の溝が形成された導波路の実効屈折率温度係数とは異なる屈折率温度係数を有する材料が挿入されており、前記アレイ導波路回折格子の透過中心波長の温度依存性が補償される第１の溝と、
   前記第１のアーム導波路または前記第２のアーム導波路の内の、少なくとも長いほうの一方に形成された第２の溝であって、前記第２の溝が形成された導波路の実効屈折率温度係数とは異なる屈折率温度係数を有する材料が挿入されており、前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路の光路長差の温度依存性が補償される第２の溝と、
   前記第３のアーム導波路および前記第４のアーム導波路の内の、少なくとも長いほうの一方に形成された第３の溝であって、前記第３の溝が形成された導波路の実効屈折率温度係数とは異なる屈折率温度係数を有する材料が挿入されており、前記第３のアーム導波路および前記第４のアーム導波路の光路長差の温度依存性が補償される第３の溝と
   を備えること特徴とする請求項２乃至７いずれかに記載の光波長合分波回路。
9. 前記第１の溝、前記第２の溝および前記第３の溝の内の少なくとも１つは、光の進行方向に対して複数個の溝に分割されていることを特徴とする請求項８に記載の光波長合分波回路。
10. 請求項２及至８いずれかに記載された、少なくとも１つの第１のタイプの光波長合分波回路と、
    前記第１のタイプの光波長合分波回路の透過強度スペクトルと同一形状の透過強度スペクトルと、
    群遅延時間軸方向に関して、前記第１のタイプの光波長合分波回路の透過群遅延時間スペクトルを反転した形状の透過群遅延時間スペクトルとを有し、前記第１のタイプと同数の第２のタイプの光波長合分波回路とを備え、
    前記第２のタイプの光波長合分波回路は、前記第１のタイプの光波長合分波回路の前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路の光路長差の値の正負を反転し、かつ前記第１のタイプの光波長合分波回路の前記第３のアーム導波路および前記第４のアーム導波路の光路長差の値の正負を反転するように構成されていること
    を特徴とする光モジュール。
11. 請求項２及至８いずれかに記載された、少なくとも１つの第１のタイプの光波長合分波回路と、
    前記第１のタイプの光波長合分波回路の透過強度スペクトルと同一形状の透過強度スペクトルと、
    群遅延時間軸方向に関して、前記第１のタイプの光波長合分波回路の透過群遅延時間スペクトルを反転した形状の透過群遅延時間スペクトルとを有し、同一伝送区間内に配置された、前記第１のタイプと同数の第２のタイプの光波長合分波回路とを備え、
    前記第２のタイプの光波長合分波回路は、前記第１のタイプの光波長合分波回路の前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路の光路長差の値の正負を反転し、かつ前記第１のタイプの光波長合分波回路の前記第３のアーム導波路および前記第４のアーム導波路の光路長差の値の正負を反転するよう構成されていることを特徴とする光通信システム。
12. 請求項２及至８いずれかに記載された、少なくとも１つの第１のタイプの光波長合分波回路と、
    前記第１のタイプの光波長合分波回路の透過強度スペクトルと同一形状の透過強度スペクトルと、
    群遅延時間軸方向に関して、前記第１のタイプの光波長合分波回路の透過群遅延時間スペクトルを反転させた形状の透過群遅延時間スペクトルとを有し、前記第１のタイプと同数の第２のタイプの光波長合分波回路とを備え、
    前記第２のタイプの光波長合分波回路は、前記第１のタイプの光波長合分波回路の前記第１の入出力導波路と前記前段光カプラの２つの入力との接続が入替えられ、かつ前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路の光路長差に半波長分の光路長が追加され、かつ前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路と前記光モード合成カプラの２つの入力との接続が入替えられ、かつ前記光モード合成カプラが入射軸に対し線対称に反転させて配置されるよう構成されていること
    を特徴とする光モジュール。
13. 請求項２及至８いずれかに記載された、少なくとも１つの第１のタイプの光波長合分波回路と、
    前記第１のタイプの光波長合分波回路の透過強度スペクトルと同一形状の透過強度スペクトルと、
    群遅延時間軸方向に関して、前記第１のタイプの光波長合分波回路の透過群遅延時間スペクトルを反転させた形状の透過群遅延時間スペクトルとを有し、同一伝送区間内に配置された、前記第１のタイプと同数の第２のタイプの光波長合分波回路とを備え、
    前記第２のタイプの光波長合分波回路は、前記第１のタイプの光波長合分波回路の前記第１の入出力導波路と前記前段光カプラの２つの入力との接続が入替えられ、かつ前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路の光路長差に半波長分の光路長が追加され、かつ前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路と前記光モード合成カプラの２つの入力との接続が入替えられ、かつ前記光モード合成カプラが入射軸に対し線対称に反転させて配置されるよう構成されていること
    を特徴とする光通信システム。

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