JP5473868B2 - 光導波路及びアレイ導波路回折格子 - Google Patents

Description

本発明は、光がスラブ導波路からアレイ導波路に向けて入射するとき、または、光がアレイ導波路からスラブ導波路に向けて入射するときに、挿入損失を低減することができる光導波路及びアレイ導波路回折格子に関する。

ＤＷＤＭ（Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）合分波器、Ｍ×Ｎスターカプラ及び１×Ｎスプリッタなどでは、光がスラブ導波路からアレイ導波路に向けて入射するときに、隣接するアレイ導波路の間のクラッド層で放射モードにならないような、スラブ導波路とアレイ導波路の間の接続構造が、特許文献１−６に開示されている。

特許文献１−４では、導波路の屈折率がスラブ導波路からアレイ導波路に向けて徐々に変化する遷移領域が配置されている。特許文献５では、スラブ導波路とアレイ導波路の間に傾斜部が配置されている。特許文献６では、スラブ導波路にコア層と複数の島状領域が配置されている。島状領域の屈折率はコア層の屈折率より小さい。島状領域は隣接するアレイ導波路の間のクラッド層に対向する。光伝搬の方向に略垂直な方向の島状領域の幅は、スラブ導波路からアレイ導波路に向けて狭くなる。隣接する島状領域の間のコア層を通過する光は、伝搬方向を変えずアレイ導波路に向けて伝搬する。島状領域を通過する光は、島状領域のテーパ形状により伝搬方向を変えてアレイ導波路に向けて伝搬する。島状領域のテーパ形状と位置が最適化されることにより、光はアレイ導波路に集中し導波モードになる。

米国特許第５７４５６１８号明細書 米国特許第７００６７２９号明細書 米国特許第６８９２００４号明細書 特開２００８−２９３０２０号公報 特開２００１−１５９７１８号公報 特開２００３−１４９６２号公報

特許文献１−４では、遷移領域が配置されているため、回路規模が大きくなる。特許文献５では、傾斜部が配置されているため、回路製造が難しくなる。特許文献６では、島状領域のテーパ形状と位置が最適化される必要があるため、回路設計が難しくなる。

そこで、前記課題を解決するために、本発明は、回路規模を大きくせず回路設計製造を難しくせず、光がスラブ導波路からアレイ導波路に向けて入射するとき、または、光がアレイ導波路からスラブ導波路に向けて入射するときに、挿入損失を低減することができる光導波路及びアレイ導波路回折格子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、スラブ導波路において伝搬される光を回折させる複数の位相格子と、複数の位相格子において回折された光を干渉させる複数の干渉領域と、を光伝搬の方向と略平行な方向に交互に配置するようにした。そして、複数の位相格子が一体の位相格子として形成する自己像の明干渉部分の位置でかつスラブ導波路の端部に、アレイ導波路の端部を接続するようにした。

具体的には、本発明は、光伝搬の方向と略平行な方向に間隔を置いて配置された、伝搬される光を回折させる複数の位相格子、及び光伝搬の方向と略平行な方向に前記複数の位相格子と交互に配置された、前記複数の位相格子において回折された光を干渉させる複数の干渉領域を有するスラブ導波路と、複数の導波路からなるアレイ導波路と、を備え、前記複数の位相格子が一体の位相格子として形成する自己像の明干渉部分の位置でかつ前記スラブ導波路の端部に、前記複数の導波路の各端部が接続され、前記複数の位相格子は、前記スラブ導波路内に光伝搬の方向と略垂直な方向に間隔を置いて配置された、前記複数の干渉領域より低い屈折率を有する屈折率相違領域を具備することを特徴とする光導波路である。

この構成によれば、タルボ（Ｔａｌｂｏｔ）効果により、光の波長とスラブ導波路の内部に形成された位相格子の周期に応じて、位相格子の自己像が形成される。位相格子の自己像の明干渉部分の位置に、アレイ導波路の端部が配置されることにより、光がスラブ導波路からアレイ導波路に向けて入射するときに、アレイ導波路に集中し導波モードになる。光導波路の規模を大きくせず設計製造を難しくせず、光がスラブ導波路からアレイ導波路に向けて入射するとき、または、光がアレイ導波路からスラブ導波路に向けて入射するときに、挿入損失を低減することができる。

そして、複数の位相格子が光伝搬の方向と略平行な方向に間隔を置いて配置される場合には、複数の位相格子の光伝搬方向の合計幅に等しい光伝搬方向幅を有する単一の位相格子が配置される場合よりも、位相格子のうち屈折率が低い領域からの光の放射を小さくすることができる。さらに、複数の位相格子が光伝搬の方向と略平行な方向に間隔を置いて配置される場合には、単一の位相格子のうち屈折率が高い領域及び屈折率が低い領域の屈折率差を大きくし単一の位相格子の光伝搬方向幅を小さくする場合よりも、追加の紫外線照射などの追加のプロセスを省略することができる。さらに、この構成によれば、スラブ導波路内に簡単に位相格子を形成することができる。

また、本発明は、前記一体の位相格子が入射光に対して与える位相差が略９０度であることを特徴とする光導波路である。

この構成によれば、位相格子の自己像が明瞭に形成される。

また、本発明は、前記一体の位相格子が入射光に対して与える位相差が略１８０度であることを特徴とする光導波路である。

この構成によれば、位相格子の自己像が明瞭に形成される。

また、本発明は、光伝搬の方向と略垂直な方向に隣接する前記屈折率相違領域は、前記屈折率相違領域と等しい屈折率を有する領域で連結されており、前記屈折率相違領域は、各位相格子全体に渡って一体となっていることを特徴とする光導波路である。

この構成によれば、スラブ導波路内に簡単に位相格子を形成することができる。

また、本発明は、１本以上の第１の入出力導波路と、前記第１の入出力導波路の端部に前記スラブ導波路の前記アレイ導波路と反対側の端部が接続された光導波路と、前記アレイ導波路の前記スラブ導波路と反対側の端部に接続された第２のスラブ導波路と、前記第２のスラブ導波路の前記アレイ導波路と反対側の端部に接続された１本以上の第２の入出力導波路と、を備えることを特徴とするアレイ導波路回折格子である。

この構成によれば、アレイ導波路回折格子の規模を大きくせず設計製造を難しくせず、光がスラブ導波路からアレイ導波路に向けて入射するとき、または、光がアレイ導波路からスラブ導波路に向けて入射するときに、挿入損失を低減することができる。

本発明は、回路規模を大きくせず回路設計製造を難しくせず、光がスラブ導波路からアレイ導波路に向けて入射するとき、または、光がアレイ導波路からスラブ導波路に向けて入射するときに、挿入損失を低減することができる光導波路及びアレイ導波路回折格子を提供することができる。

タルボ効果の現象を示す図である。 タルボ効果の現象を示す図である。 タルボ効果の計算結果を示す図である。 タルボ効果の計算結果を示す図である。 スラブ導波路の位相格子及びアレイ導波路の入射端の位置関係を示す図である。 スラブ導波路の位相格子及びアレイ導波路の入射端の位置関係を示す図である。 スラブ導波路の位相格子及びアレイ導波路の入射端の位置関係を示す図である。 光導波路の構造を示す図である。 タルボ効果の計算結果を示す図である。 光導波路の構造を示す図である。 光導波路の構造を示す図である。 光導波路の構造を示す図である。 光導波路の構造を示す図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
実施形態１では、まず、タルボ（Ｔａｌｂｏｔ）効果の現象と計算結果を説明する。次に、光がスラブ導波路からアレイ導波路に向けて入射するとき、または、光がアレイ導波路からスラブ導波路に向けて入射するときに、挿入損失を低減することができる光導波路について、タルボ効果の現象と計算結果に基づいて説明する。

タルボ効果は、光が回折格子に入射されたときに回折光どうしが干渉することにより、光の波長と回折格子の周期に応じて規定される距離だけ回折格子から離れた位置に、回折格子のパターンと同様な光の強度分布が回折格子の自己像として実現されることをいい、タルボ干渉計に応用されている。

図１及び図２は、タルボ効果の現象を示す図である。回折格子ＧＰ１、ＧＰ２は、入射光に対して位相差を与える位相格子である。位相格子ＧＰ１が関わるタルボ効果の現象は、図１に示されており、位相格子ＧＰ２が関わるタルボ効果の現象は、図２に示されている。位相格子ＧＰ１、ＧＰ２の周期はｄであり、位相格子ＧＰ１が入射光に対して与える位相差は９０°であり、位相格子ＧＰ２が入射光に対して与える位相差は１８０°である。位相格子ＧＰ１、ＧＰ２は、ｘｙ平面内で（ｙ軸は図１及び図２に不図示）、ｚ＝０の位置に配置される（図１及び図２では、便宜上、位相格子ＧＰ１、ＧＰ２は、ｚ＝０の位置より図面上の左側に示されている）。入射光の波長はλである。入射光は、図１及び図２の左端の矢印で示したように、平行光としてｚ軸方向に入射される。

まず、位相格子ＧＰ１が関わるタルボ効果の現象を説明する。ｚ＝ｍｄ^２／（２λ）とおいたときに、位相格子ＧＰ１の直後に形成された光の強度分布は、ｍ＝０の位置に砂地で示したように均一であり、この光の強度分布と同様な光の強度分布が、ｍ＝２、４、６、８、・・・、４ｎ＋２、４ｎ＋４、・・・（ｎは０以上の整数）の位置に示されている。一方、ｍ＝１、３、５、７、・・・、４ｎ＋１、４ｎ＋３、・・・の位置では、位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１が、斜線と白地で示したように明瞭に形成される。位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１は、ｍ＝１、３、５、７、・・・、４ｎ＋１、４ｎ＋３、・・・以外の位置でも形成されるが、明瞭には形成されることなくぼやけて形成される。位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１の強度周期はｄである。ここで、ｍ＝１、５、・・・、４ｎ＋１、・・・の位置で形成される位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１は、ｍ＝３、７、・・・、４ｎ＋３、・・・の位置で形成される位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１と比較して、ｘ軸方向にｄ／２だけシフトしている。

次に、位相格子ＧＰ２が関わるタルボ効果の現象を説明する。ｚ＝ｍｄ^２／（８λ）とおいたときに、位相格子ＧＰ２の直後に形成された光の強度分布は、ｍ＝０の位置に砂地で示したように均一であり、この光の強度分布と同様な光の強度分布が、ｍ＝２、４、６、８、・・・、２ｎ、・・・（ｎは０以上の整数）の位置に示されている。一方、ｍ＝１、３、５、７、・・・、２ｎ＋１、・・・の位置では、位相格子ＧＰ２の自己像ＳＰ２が、斜線と白地で示したように明瞭に形成される。位相格子ＧＰ２の自己像ＳＰ２は、ｍ＝１、３、５、７、・・・、２ｎ＋１、・・・以外の位置でも形成されるが、明瞭には形成されることなくぼやけて形成される。位相格子ＧＰ２の自己像ＳＰ２の強度周期はｄ／２である。また、位相格子ＧＰ２の自己像ＳＰ２の次数毎のシフトはない。

図３は、位相格子ＧＰ１のタルボ効果の計算結果を示す図である。図１では、入射光を平行光としているが、図３では、スラブ導波路を伝搬する光が平行光ではなく拡散光であることを考慮して、入射光を拡散光としている。入射光は、図３の左端の矢印で示したように、拡散光として右側方向に入射される。図４は、位相格子ＧＰ２のタルボ効果の計算結果を示す図である。図４では、入射光を平行光としている。入射光は、図４の左端の矢印で示したように、平行光として右側方向に入射される。図３及び図４では、位相格子ＧＰ１、ＧＰ２は、ｍ＝０の位置に配置される。

位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１は、ｍ＝１、３、５、７、・・・、４ｎ＋１、４ｎ＋３、・・・の位置では、明瞭な白黒のグラデーションで示したように明瞭に形成されるが、ｍ＝２、４、６、８、・・・、４ｎ＋２、４ｎ＋４、・・・の位置では、不明瞭な白黒のグラデーションで示したように明瞭には形成されない。位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１は、ｍ＝１、３、５、７、・・・、４ｎ＋１、４ｎ＋３、・・・以外の位置でも、ｍ＝１、３、５、７、・・・、４ｎ＋１、４ｎ＋３、・・・の位置に近づくにつれて明瞭に形成されるようになり、ｍ＝２、４、６、８、・・・、４ｎ＋２、４ｎ＋４、・・・の位置に近づくにつれて明瞭には形成されなくなる。ｍ＝０、１、２、３、・・・の位置が等間隔に整列していないのは、入射光が平行光ではなく拡散光であるためである。

図３を全体で見れば、白黒のグラデーションは、右側方向に進行するにつれて、図３の上下方向に拡散する。図３を詳細に見れば、白黒のグラデーションは、ｍ＝２、４、６、８、・・・、４ｎ＋２、４ｎ＋４、・・・の位置の近傍で急激に変化している。このことは、図１において、ｍ＝１、５、・・・、４ｎ＋１、・・・の位置で形成される位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１が、ｍ＝３、７、・・・、４ｎ＋３、・・・の位置で形成される位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１と比較して、ｘ軸方向にｄ／２だけシフトしていることに対応する。ｍ＝１、３、５、７、・・・、４ｎ＋１、４ｎ＋３、・・・の位置で形成される位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１は、ｍが小さいほど明瞭に形成される。図４の計算結果と図２の模式図面は、同様な傾向を示しているが、図４ではｍ＝２、４、・・・の位置において、位相格子ＧＰ２の周期と同周期のピークが認められる。これは図４のシミュレーションが一般的な光回路をもとにした計算であるところ、位相格子ＧＰ２をコア材及びクラッド材のような屈折率差の小さい材料で形成すると、位相格子ＧＰ２は光の伝搬方向に長くなり、屈折率の低い部分を伝搬する光は伝搬距離が長くなるほど屈折率の高い部分へ結合し、位相格子ＧＰ２終端で強度分布が発生するためである。

次に、光がスラブ導波路からアレイ導波路に向けて入射するとき、または、光がアレイ導波路からスラブ導波路に向けて入射するときに、挿入損失を低減することができる光導波路について、タルボ効果の現象と計算結果に基づいて説明する。図５から図７までは、スラブ導波路１の位相格子ＧＰ１又はＧＰ２及びアレイ導波路２の端部の位置関係を示す図である。図５から図７までのそれぞれの左側は、光導波路の全体構成を示し、図５及び図６のそれぞれの右側は、位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１を示し、図７の右側は、位相格子ＧＰ２の自己像ＳＰ２を示し、図５から図７までのそれぞれにおいて、左側及び右側の図面は、一点鎖線により上下方向に位置合わせされている。図５及び図６では、スラブ導波路１の位相格子ＧＰ１及びアレイ導波路２の端部の位置関係が異なっている。

図５のスラブ導波路１では、図５の左側から右側へと進むに従って、入射領域ＩＮ、位相格子ＧＰ１−１、干渉領域ＩＦ−１、位相格子ＧＰ１−２、干渉領域ＩＦ−２、位相格子ＧＰ１−３及び干渉領域ＩＦ−３が配置される。図６のスラブ導波路１では、図６の左側から右側へと進むに従って、入射領域ＩＮ、位相格子ＧＰ１−４、干渉領域ＩＦ−４、位相格子ＧＰ１−５、干渉領域ＩＦ−５、位相格子ＧＰ１−６及び干渉領域ＩＦ−６が配置される。図７のスラブ導波路１では、図７の左側から右側へと進むに従って、入射領域ＩＮ、位相格子ＧＰ２−１、干渉領域ＩＦ−７、位相格子ＧＰ２−２、干渉領域ＩＦ−８、位相格子ＧＰ２−３及び干渉領域ＩＦ−９が配置される。

図５の位相格子ＧＰ１−１、ＧＰ１−２、ＧＰ１−３は、入射光に９０°の位相差を与える一体の位相格子ＧＰ１として自己像を形成する機能を有する。図６の位相格子ＧＰ１−４、ＧＰ１−５、ＧＰ１−６は、入射光に９０°の位相差を与える一体の位相格子ＧＰ１として自己像を形成する機能を有する。図７の位相格子ＧＰ２−１、ＧＰ２−２、ＧＰ２−３は、入射光に１８０°の位相差を与える一体の位相格子ＧＰ２として自己像を形成する機能を有する。

図５の干渉領域ＩＦ−１、ＩＦ−２、ＩＦ−３は、光伝搬の方向と略平行な方向の合計幅を、図１において位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１が明瞭に形成されるためのｚとする。図６の干渉領域ＩＦ−４、ＩＦ−５、ＩＦ−６は、光伝搬の方向と略平行な方向の合計幅を、図１において位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１が明瞭に形成されるためのｚとする。図７の干渉領域ＩＦ−７、ＩＦ−８、ＩＦ−９は、光伝搬の方向と略平行な方向の合計幅を、図２において位相格子ＧＰ２の自己像ＳＰ２が明瞭に形成されるためのｚとする。

このように、タルボ効果により位相格子の自己像を明瞭に形成するために、位相格子及び干渉領域について光伝搬の方向と略平行な方向の幅を設計し、幅を設計された位相格子及び干渉領域を光伝搬の方向と略垂直な面内で複数に分割し、複数に分割された位相格子及び干渉領域を光伝搬の方向と略平行な方向に交互に配置する。

入射領域ＩＮは、スラブ導波路１への入射光を伝搬させる。位相格子ＧＰ１又はＧＰ２は、異なる屈折率を有する斜線で示した領域と白地で示した領域で形成されている。斜線で示した領域の屈折率は、白地で示した領域の屈折率より、大きくても小さくてもよい。入射光は、屈折率が大きい領域を遅い速度で伝搬し、屈折率が小さい領域を速い速度で伝搬する。位相格子ＧＰ１又はＧＰ２は、図５から図７までの上下方向の位置に応じて光の速度を変化させ、入射光に対して位相差を与える。干渉領域ＩＦは、位相格子ＧＰ１又はＧＰ２における回折光を干渉させる。

アレイ導波路２は、位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１又は位相格子ＧＰ２の自己像ＳＰ２の白地で示した明干渉部分において、スラブ導波路１の端部に接続される。つまり、回折光は、位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１又は位相格子ＧＰ２の自己像ＳＰ２の白地で示した明干渉部分に集中的に分布するため、アレイ導波路２で導波モードになる。そして、回折光は、位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１又は位相格子ＧＰ２の自己像ＳＰ２の斜線で示した暗干渉部分にほとんど分布しないため、クラッド層で放射モードにならない。図５から図７まででは、アレイ導波路２が複数接続されているが、１本のみ接続されてもよい。

図５では、位相格子ＧＰ１のうち斜線で示した領域に対応する位置に、位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１の白地で示した明干渉部分が形成されており、アレイ導波路２の端部が接続されている。図６では、位相格子ＧＰ１のうち白地で示した領域に対応する位置に、位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１の白地で示した明干渉部分が形成されており、アレイ導波路２の端部が接続されている。このように、スラブ導波路１の位相格子ＧＰ１及びアレイ導波路２の端部の位置関係として異なる位置関係が存在することは、図１に示したように、ｍ＝１、５、・・・、４ｎ＋１、・・・の位置で形成される位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１が、ｍ＝３、７、・・・、４ｎ＋３、・・・の位置で形成される位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１と比較して、ｘ軸方向にｄ／２だけシフトしていることに対応する。

図７では、位相格子ＧＰ２のうち斜線及び白地で示した領域から、光伝搬の方向と略平行な方向に進んだ位置に、位相格子ＧＰ２の自己像ＳＰ２の白地で示した明干渉部分が形成されており、アレイ導波路２の端部が接続されている。このように、図５及び図６では、位相格子ＧＰ１の周期は、アレイ導波路２の周期と同一であるが、図７では、位相格子ＧＰ２の周期は、アレイ導波路２の周期の２倍である。

以上の説明のように、タルボ効果により、入射光の波長λとスラブ導波路１の内部に形成された位相格子ＧＰ１、ＧＰ２の周期に応じて、位相格子ＧＰ１、ＧＰ２の自己像ＳＰ１、ＳＰ２が形成される。そして、位相格子ＧＰ１、ＧＰ２の自己像ＳＰ１、ＳＰ２の明干渉部分の位置に、アレイ導波路２の端部が配置されることにより、光がスラブ導波路１からアレイ導波路２に向けて入射するときに、光がアレイ導波路２に集中し導波モードになる。よって、光がスラブ導波路１からアレイ導波路２に向けて入射するときに、挿入損失を低減することができる。光がアレイ導波路２からスラブ導波路１に向けて入射するときも、光の相反性により同様である。

なお、アレイ導波路２がスラブ導波路１との境界近傍で分岐されている場合は、明干渉部分の位置に、分岐されたアレイ導波路２の各々の端部が配置される。また、位相格子が入射光に対して与える位相差は、９０°や１８０°であっても４５°や１３５°などであってもよく、タルボ効果により位相格子の自己像を明瞭に形成できれば上述の位相差以外の位相差であってもよい。

光がスラブ導波路１からアレイ導波路２に向けて入射するとき、または、光がアレイ導波路２からスラブ導波路１に向けて入射するときに、光の挿入損失を低減することが重要であるとともに、光が位相格子のうち屈折率が低い領域を伝搬するときに、光の放射損失を低減することも重要である。光が位相格子のうち屈折率が低い領域を伝搬するときに、光の放射損失を低減するために、本実施形態が有効であることを以下に説明する。

本実施形態では、複数の位相格子が光伝搬の方向と略平行な方向に間隔を置いて配置される場合（以下では「第１の場合」という）を説明した。比較例として、複数の位相格子の光伝搬方向の合計幅に等しい光伝搬方向幅を有する単一の位相格子が配置される場合（以下では「第２の場合」という）と、単一の位相格子のうち屈折率が高い領域及び屈折率が低い領域の屈折率差を大きくし単一の位相格子の光伝搬方向幅を小さくする場合（以下では「第３の場合」という）と、を挙げて、本実施形態及び比較例を比較する。

光が位相格子のうち屈折率が低い領域を伝搬するときに、光の放射損失を低減するためには、屈折率が低い領域の光伝搬方向幅を小さくすることが望ましい。よって、単一の位相格子の光伝搬方向幅が大きい第２の場合は適切ではない。むしろ、第１の場合での複数の位相格子の光伝搬方向の合計幅が第２の場合での単一の位相格子の光伝搬方向幅に等しくても、各位相格子の光伝搬方向幅が小さい第１の場合が適切である。

もっとも、屈折率が低い領域の光伝搬方向幅を小さくするためには、単一の位相格子の光伝搬方向幅が小さい第３の場合も適切である。しかし、追加の紫外線照射などの追加のプロセスを省略するためには、屈折率が高い領域及び屈折率が低い領域の屈折率差が大きい第３の場合は適切ではない。つまり、本実施形態で説明した第１の場合では、位相格子のうち屈折率が低い領域からの光の放射を小さくすることができるとともに、追加の紫外線照射などの追加のプロセスを省略することができる。

さらに、単一の位相格子を複数の位相格子に分割するときに、分割された各位相格子の光伝搬方向幅が各位相格子毎にランダムであれば、特定の波長の光が反射することを抑制することができる。

（実施形態２）
実施形態２では、光導波路の設計方法を説明する。最初に、位相格子ＧＰ１、ＧＰ２の光伝搬方向全幅Ｌ１の設定方法を説明し、次に、干渉領域ＩＦの光伝搬方向全幅Ｌ２の設定方法を説明し、最後に、アレイ導波路２の端部の位置設定方法を説明する。

図５及び図６において、アレイ導波路２の端部において位相格子ＧＰ１の自己像ＳＰ１が明瞭に形成されるために、位相格子ＧＰ１が光に対して与える位相差が望ましくは８０°〜１００°さらに望ましくは９０°となるように、位相格子ＧＰ１の光伝搬方向全幅Ｌ１が設定される。位相格子ＧＰ１の光伝搬方向全幅Ｌ１は、位相格子ＧＰ１−１、ＧＰ１−２、ＧＰ１−３の光伝搬方向の合計幅又は位相格子ＧＰ１−４、ＧＰ１−５、ＧＰ１−６の光伝搬方向の合計幅である。図７において、アレイ導波路２の端部において位相格子ＧＰ２の自己像ＳＰ２が明瞭に形成されるために、位相格子ＧＰ２が光に対して与える位相差が望ましくは１７０°〜１９０°さらに望ましくは１８０°となるように、位相格子ＧＰ２の光伝搬方向全幅Ｌ１が設定される。位相格子ＧＰ２の光伝搬方向全幅Ｌ１は、位相格子ＧＰ２−１、ＧＰ２−２、ＧＰ２−３の光伝搬方向の合計幅である。

光の真空中の波長をλ、屈折率が大きい領域の屈折率をｎ、屈折率が小さい領域の屈折率をｎ−δｎ、屈折率が大きい領域と屈折率が小さい領域の比屈折率差をΔ＝δｎ／ｎとおく。光が屈折率が大きい領域を始端から終端まで通過するときの位相の進み角度は、Ｌ１÷（λ／ｎ）×２π＝２πｎＬ１／λである。光が屈折率が小さい領域を始端から終端まで通過するときの位相の進み角度は、Ｌ１÷（λ／（ｎ−δｎ））×２π＝２π（ｎ−δｎ）Ｌ１／λである。位相格子ＧＰが光に対して与える位相差は、２πｎＬ１／λ−２π（ｎ−δｎ）Ｌ１／λ＝２πδｎＬ１／λ＝２πｎΔＬ１／λである。図５及び図６において、位相格子ＧＰ１が光に対して与える位相差が９０°となるために、Ｌ１＝λ／（４ｎΔ）と設定されるとよい。例えば、λ＝１．５５μｍ、ｎ＝１．４５、Δ＝０．７５％であるときに、位相格子ＧＰ１が光に対して与える位相差が９０°となるために、Ｌ１〜３５μｍと設定されるとよい。図７において、位相格子ＧＰ２が光に対して与える位相差が１８０°となるために、Ｌ１＝λ／（２ｎΔ）と設定されるとよい。例えば、λ＝１．５５μｍ、ｎ＝１．４５、Δ＝０．７５％であるときに、位相格子ＧＰ２が光に対して与える位相差が１８０°となるために、Ｌ１〜７０μｍと設定されるとよい。

図５において、位相格子ＧＰ１−１、ＧＰ１−２、ＧＰ１−３の光伝搬方向幅は、それぞれＬ１／３に等しく設定されているが、等しく設定されていなくてもよい。図６において、位相格子ＧＰ１−４、ＧＰ１−５、ＧＰ１−６の光伝搬方向幅は、それぞれＬ１／３に等しく設定されているが、等しく設定されていなくてもよい。図７において、位相格子ＧＰ２−１、ＧＰ２−２、ＧＰ２−３の光伝搬方向幅は、それぞれＬ１／３に等しく設定されているが、等しく設定されていなくてもよい。ここで、図５から図７までにおいて、位相格子ＧＰ１、ＧＰ２は３個の領域に分割されている。しかし、位相格子ＧＰ１、ＧＰ２の分割数は、３のみに限定されず、実施形態３の製造方法の精度により決定される。

図５から図７までにおいて、アレイ導波路２の端部において位相格子ＧＰ１、ＧＰ２の自己像ＳＰ１、ＳＰ２が明瞭に形成されるために、図１から図４の説明に基づいて、干渉領域ＩＦの光伝搬方向全幅Ｌ２が設定される。干渉領域ＩＦの光伝搬方向全幅Ｌ２は、干渉領域ＩＦ−１、ＩＦ−２、ＩＦ−３の光伝搬方向の合計幅、干渉領域ＩＦ−４、ＩＦ−５、ＩＦ−６の光伝搬方向の合計幅又は干渉領域ＩＦ−７、ＩＦ−８、ＩＦ−９の光伝搬方向の合計幅である。

光の真空中の波長をλ、干渉領域ＩＦの屈折率を上述の屈折率が大きい領域の屈折率と等しいｎとおくと、光の干渉領域ＩＦ中の波長はλ／ｎとなる。図１の説明に基づけば、図５及び図６において、位相格子ＧＰ１に対しては、最適な設計としてＬ２＝ｍｄ^２／（２（λ／ｎ））と設定される。例えば、ｄ＝１０．０μｍ、λ＝１．５５μｍ、ｎ＝１．４５であるときに、ｍ＝１とおいたうえで最適な設計としてＬ２〜４７μｍと設定される。図２の説明に基づけば、図７において、位相格子ＧＰ２に対しては、最適な設計としてＬ２＝ｍｄ^２／（８（λ／ｎ））と設定される。例えば、ｄ＝２０．０μｍ、λ＝１．５５μｍ、ｎ＝１．４５であるときに、ｍ＝１とおいたうえで最適な設計としてＬ２〜４７μｍと設定される。図３の説明に基づけば、光の拡散具合がさらに考慮されたうえで、タルボ効果の計算結果が出力され、最適な設計としてＬ２が設定される。

図５において、干渉領域ＩＦ−１、ＩＦ−２、ＩＦ−３の光伝搬方向幅は、それぞれＬ２／３に等しく設定されているが、等しく設定されていなくてもよい。図６において、干渉領域ＩＦ−４、ＩＦ−５、ＩＦ−６の光伝搬方向幅は、それぞれＬ２／３に等しく設定されているが、等しく設定されていなくてもよい。図７において、干渉領域ＩＦ−７、ＩＦ−８、ＩＦ−９の光伝搬方向幅は、それぞれＬ２／３に等しく設定されているが、等しく設定されていなくてもよい。ここで、図５から図７までにおいて、干渉領域ＩＦは３個の領域に分割されている。しかし、干渉領域ＩＦの分割数は、３のみに限定されず、実施形態３の製造方法の精度により決定される。

図１から図４の説明に基づいて、干渉領域ＩＦの光伝搬方向全幅Ｌ２を設定した後に、図１から図４の説明に基づいて、スラブ導波路１の終端における位相格子ＧＰの自己像ＳＰの明干渉部分を、アレイ導波路２の端部の位置として設定する。ここで、複数のアレイ導波路２の端部のうち、中央のアレイ導波路２の端部のみならず、両端のアレイ導波路２の端部であっても、位相格子ＧＰの自己像ＳＰが明瞭に形成されることが望ましい。そこで、スラブ導波路１の位相格子ＧＰ及びアレイ導波路２の端部の位置関係として、図８に示した位置関係とすることが望ましい。つまり、位相格子ＧＰの屈折率が大きい領域の個数は、アレイ導波路２の本数より多いことが望ましい。

光導波路の規模を小さくするためにも、位相格子ＧＰ１、ＧＰ２の自己像ＳＰ１、ＳＰ２を明瞭に形成させるためにも、ｍを小さくして干渉領域ＩＦの光伝搬方向全幅Ｌ２を小さくすることが望ましい。位相格子ＧＰ１、ＧＰ２は、光を回折させる機能を備えていれば、実施形態３で説明するような形状を含む任意の形状を備えてもよい。以上の説明のように、本発明は、光導波路の規模を大きくせず設計を難しくしない。本発明を採用しない場合、スラブ導波路１とアレイ導波路２の間の損失は０．４５ｄＢ程度であるが、本発明を上記のような設計方法で採用した場合、０．１ｄＢ以下に低減できる。

図９は、位相格子ＧＰ１のタルボ効果の計算結果を示す図である。入射光は、平行光として右側方向に入射され、図５の位相格子ＧＰ１−１の左端又は図６の位相格子ＧＰ１−４の左端は、図９（ａ）、図９（ｂ）及び図９（ｃ）のそれぞれの左端に配置される。図９（ａ）は、２個の位相格子が一体の位相格子ＧＰ１として自己像を形成する機能を有する場合を示し、図９（ｂ）は、４個の位相格子が一体の位相格子ＧＰ１として自己像を形成する機能を有する場合を示し、図９（ｃ）は、８個の位相格子が一体の位相格子ＧＰ１として自己像を形成する機能を有する場合を示す。図９（ａ）、図９（ｂ）及び図９（ｃ）でのいずれの場合においても、位相格子ＧＰ１のタルボ効果の計算結果は、入射光が平行光であるか拡散光であるかという相違を除いて、図３での位相格子ＧＰ１のタルボ効果の計算結果と同様である。タルボ効果は位相格子の分割数には依存しない。

（実施形態３）
実施形態３では、光導波路の製造方法を説明する。図５から図７までに示した位相格子ＧＰ１、ＧＰ２は、屈折率相違領域１１を具備する。屈折率相違領域１１は、光伝搬の方向と略垂直な方向及び略平行な方向に間隔を置いて配置され、斜線で示した領域と異なる屈折率を有する。屈折率相違領域１１は矩形形状であるが、任意の形状であってもよい。

屈折率相違領域１１の屈折率は、斜線で示した領域の屈折率より、大きくても小さくてもよい。屈折率が大きい領域と屈折率が小さい領域が光伝搬の方向と略垂直な方向及び略平行な方向に交互に配置されることにより、位相格子ＧＰ１、ＧＰ２を簡単に形成することができる。

図５から図７までに示した光導波路の製造方法として、リソグラフィとエッチングを利用する方法及び紫外線照射を利用する方法などがあげられる。

リソグラフィとエッチングを利用する方法では、最初に、下部クラッド層となるＳｉＯ_２微粒子とコア層となるＳｉＯ_２−ＧｅＯ_２微粒子を、Ｓｉ基板上に火炎直接堆積法により堆積させ、加熱により溶融透明化させる。次に、リソグラフィとエッチングにより、コア層の不要な部分を除去し光回路パターンを形成するが、同時に屈折率相違領域１１となる部分でもコア層の不要な部分を除去する。最後に、上部クラッド層となるＳｉＯ_２微粒子を、火炎直接堆積法により堆積させ、加熱により溶融透明化させることにより、上部クラッド層が形成されると、屈折率相違領域１１となる部分にはクラッド材が充填される。屈折率相違領域１１となる部分にはクラッド材が充填されるため、屈折率相違領域１１の屈折率は斜線で示した領域の屈折率より小さくなる。上記においては、スラブ導波路１及びアレイ導波路２の形成工程において屈折率相違領域１１を形成するが、スラブ導波路１及びアレイ導波路２の形成後に、屈折率相違領域１１となる部分に溝加工を施してコア層と屈折率が相違する樹脂等を充填してもよいし、溝加工のみで空気層により屈折率相違領域１１を形成してもよい。

紫外線照射を利用する方法では、紫外線照射により屈折率が上昇することを利用する。 第１の方法では、下部クラッド層及びコア層の形成後、または、下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層の形成後、屈折率相違領域１１となる部分にマスク材を形成し、紫外線照射により屈折率相違領域１１となる部分以外の部分の屈折率を変化させることにより、屈折率相違領域１１を形成する。屈折率相違領域１１の屈折率は斜線で示した領域の屈折率より小さくなる。第２の方法では、下部クラッド層及びコア層の形成後、または、下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層の形成後、屈折率相違領域１１となる部分以外の部分にマスク材を形成し、紫外線照射により屈折率相違領域１１となる部分の屈折率を変化させることにより、屈折率相違領域１１を形成する。屈折率相違領域１１の屈折率は斜線で示した領域の屈折率より大きくなる。

干渉領域ＩＦは、光を干渉させる機能を備えていれば、任意の材料を備えてもよい。例えば、干渉領域ＩＦは、コア材料、クラッド材料、紫外線が照射されたＳｉＯ_２−ＧｅＯ_２、樹脂及び空気などのうち、少なくともいずれか１つの材料を備えてもよい。

図１０及び図１１に示した光導波路の製造方法は、図５から図７までに示した光導波路の製造方法と同様である。上部クラッド材や樹脂等を屈折率相違領域に充填することにより屈折率相違領域を形成する場合、図５から図７までのように、屈折率相違領域１１の周囲が斜線で示した領域で囲まれていると、均一に上部クラッド材や樹脂等を充填することが困難な場合がある。これに対して、図１０及び図１１のように、各位相格子ＧＰを形成する屈折率相違領域１２が各位相格子ＧＰ全体に渡って一体となっていれば、均一に上部クラッド材や樹脂等を充填することが容易である。以下では、図５で示した光導波路の製造方法において、屈折率相違領域１１に代えて屈折率相違領域１２を形成する場合について説明する。もっとも、図６及び図７で示した光導波路の製造方法において、屈折率相違領域１１に代えて屈折率相違領域１２を形成する場合についても同様である。

図１０（ａ）に示した各位相格子ＧＰ１は、屈折率相違領域１２と凸状領域１３、１４を具備する。屈折率相違領域１２は、光伝搬の方向と略垂直な方向に幅が広い領域及び幅が狭い領域を具備しており、各位相格子ＧＰ１全体に渡って一体となっている。幅が広い領域は、スラブ導波路１内に光伝搬の方向と略垂直な方向に間隔を置いて配置され、斜線で示した領域と異なる屈折率を有する。幅が狭い領域は、凸状領域１３、１４により挟まれ、幅が広い領域と等しい屈折率を有し、隣接する幅が広い領域を連結している。

屈折率相違領域１２の屈折率は、斜線で示した部分の屈折率より、大きくても小さくてもよい。屈折率が大きい領域と屈折率が小さい領域が光伝搬の方向と略垂直な方向に交互に配置されることにより、各位相格子ＧＰ１を簡単に形成することができる。

図１０（ａ）に示した光導波路では、凸状領域１３、１４がともに配置されているが、図１０（ｂ）に示した光導波路のように、凸状領域１３のみが配置されてもよく、図１１（ａ）に示した光導波路のように、凸状領域１４のみが配置されてもよい。図１０（ａ）に示した光導波路では、全位相格子ＧＰ１の凸状領域１３、１４の光伝搬方向幅の和は、図５に示したＬ１に設定され、図１０（ｂ）に示した光導波路では、全位相格子ＧＰ１の凸状領域１３の光伝搬方向幅の和は、図５に示したＬ１に設定され、図１１（ａ）に示した光導波路では、全位相格子ＧＰ１の凸状領域１４の光伝搬方向幅の和は、図５に示したＬ１に設定される。図１０（ａ）、図１０（ｂ）及び図１１（ａ）に示した光導波路では、凸状領域１３、１４は矩形形状であるが、任意の形状であってもよい。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示した光導波路では、光伝搬の方向と略垂直な方向に隣接する凸状領域１３の間の凹状領域も、任意の形状であってもよい。図１０（ａ）及び図１１（ａ）に示した光導波路では、光伝搬の方向と略垂直な方向に隣接する凸状領域１４の間の凹状領域も、任意の形状であってもよい。また、入射領域ＩＮ又は干渉領域ＩＦの境界面も、任意の形状であってもよい。

図１０（ａ）に示した光導波路の変形例として、図１２（ａ）に示した光導波路のように、凸状領域１３及び屈折率相違領域１２の境界面上、凸状領域１４及び屈折率相違領域１２の境界面上、並びに凹状領域及び屈折率相違領域１２の境界面上に、境界面領域ＢＳを形成してもよい。図１２（ａ）に示した境界面領域ＢＳは、干渉領域ＩＦを構成するコア材料と同一の屈折率、又は干渉領域ＩＦを構成するコア材料及び屈折率相違領域１２を構成するクラッド材料の間の屈折率を有する。

図１１（ａ）に示した光導波路の変形例として、図１２（ｂ）に示した光導波路のように、凸状領域１４及び屈折率相違領域１２の境界面上、入射領域ＩＮ又は干渉領域ＩＦ及び屈折率相違領域１２の境界面上、並びに凹状領域及び屈折率相違領域１２の境界面上に、境界面領域ＢＳを形成してもよい。図１２（ｂ）に示した境界面領域ＢＳは、屈折率相違領域１２を構成するクラッド材料と同一の屈折率、又は干渉領域ＩＦを構成するコア材料及び屈折率相違領域１２を構成するクラッド材料の間の屈折率を有する。

図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示した光導波路のように、光伝搬の方向と略平行及び略垂直な方向と異なる方向に表面を延ばす境界面領域ＢＳを、屈折率の異なる領域の間の境界面上に形成することにより、光が反射することを抑制することができ、またスラブ端に接続された入出力導波路に光が反射することを抑制することができる。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示した光導波路ではそれぞれ、境界面領域ＢＳの材料として、１種類の材料を用いているが、複数の種類の材料を組み合わせて用いてもよい。

図１１（ｂ）に示した各位相格子ＧＰ１は、屈折率相違領域１２と島状領域１５を具備する。屈折率相違領域１２は、光伝搬の方向と略垂直な方向に幅が広い領域及び幅が狭い領域を具備しており、各位相格子ＧＰ１全体に渡って一体となっている。幅が広い領域は、スラブ導波路１内に光伝搬の方向と略垂直な方向に間隔を置いて配置され、斜線で示した領域と異なる屈折率を有する。幅が狭い領域は、斜線で示した領域及び島状領域１５により挟まれ、幅が広い領域と等しい屈折率を有し、隣接する幅が広い領域を連結している。

屈折率相違領域１２の屈折率は、斜線で示した部分の屈折率より、大きくても小さくてもよい。屈折率が大きい領域と屈折率が小さい領域が光伝搬の方向と略垂直な方向に交互に配置されることにより、各位相格子ＧＰ１を簡単に形成することができる。

図１１（ｂ）に示した光導波路では、全位相格子ＧＰ１の島状領域１５の光伝搬方向幅の和は、図５に示したＬ１に設定される。図１１（ｂ）に示した光導波路では、島状領域１５は矩形形状であるが、任意の形状であってもよい。図１１（ｂ）に示した光導波路においても、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示した光導波路のように、境界面領域ＢＳを屈折率の異なる領域の間の境界面上に形成してもよい。

図１０及び図１１に示した光導波路では、凸状領域１３、１４又は島状領域１５を、アレイ導波路２の延長線上に形成しているが、光伝搬の方向と略垂直な方向に隣接するアレイ導波路２の間の延長線上に形成してもよい。また、図１３に示した光導波路のように、光に位相差を与えることができるならば、凸状領域１３、１４又は島状領域１５を、アレイ導波路２の延長線上及び光伝搬の方向と略垂直な方向に隣接するアレイ導波路２の間の延長線上に形成してもよい。図１３（ａ）に示した光導波路では、凸状領域１３、１４が光伝搬の方向と略垂直な方向に隣接するアレイ導波路２の間の延長線上に形成され、島状領域１５がアレイ導波路２の延長線上に形成される。図１３（ｂ）に示した光導波路では、凸状領域１３が光伝搬の方向と略垂直な方向に隣接するアレイ導波路２の間の延長線上に形成され、凸状領域１４がアレイ導波路２の延長線上に形成される。

（実施形態４）
実施形態４では、実施形態１−３で説明した光導波路を備えるアレイ導波路回折格子を説明する。アレイ導波路回折格子では、１本以上の第１の入出力導波路、第１のスラブ導波路、複数のアレイ導波路、第２のスラブ導波路及び１本以上の第２の入出力導波路が、この順序で接続される。第１のスラブ導波路と複数のアレイ導波路は、それぞれスラブ導波路１とアレイ導波路２として、実施形態１−３で説明した光導波路を構成する。

第１のスラブ導波路には、複数の波長の光が伝搬されるが、図１及び図２におけるλとして、複数の波長のうち任意の波長が選択される。この任意の波長は、例えば複数の波長のうち中心の波長などである。この任意の波長のもとで、実施形態２で説明した設計方法及び実施形態３で説明した製造方法が適用される。

回折格子は、第１のスラブ導波路に配置されるのみならず、第２のスラブ導波路にも配置されてもよい。また、回折格子は、第１のスラブ導波路にのみ配置され、特許文献１−４の遷移領域又は特許文献５の傾斜部が、第２のスラブ導波路に配置されてもよい。

本発明に係る光導波路及びアレイ導波路回折格子は、波長分割多重方式を利用する光の損失が低い光ファイバ通信に利用することができる。

１：スラブ導波路
２：アレイ導波路
１１：屈折率相違領域
１２：屈折率相違領域
１３：凸状領域
１４：凸状領域
１５：島状領域
ＧＰ：位相格子
ＳＰ：自己像
ＩＮ：入射領域
ＩＦ：干渉領域
ＢＳ：境界面領域

Claims (5)

1. 光伝搬の方向と略平行な方向に間隔を置いて配置された、伝搬される光を回折させる複数の位相格子、及び光伝搬の方向と略平行な方向に前記複数の位相格子と交互に配置された、前記複数の位相格子において回折された光を干渉させる複数の干渉領域を有するスラブ導波路と、
   複数の導波路からなるアレイ導波路と
   を備え、
   前記複数の位相格子が一体の位相格子として形成する自己像の明干渉部分の位置でかつ前記スラブ導波路の端部に、前記複数の導波路の各端部が接続され、
   前記複数の位相格子は、前記スラブ導波路内に光伝搬の方向と略垂直な方向に間隔を置いて配置された、前記複数の干渉領域より低い屈折率を有する屈折率相違領域を具備することを特徴とする光導波路。
2. 前記一体の位相格子が入射光に対して与える位相差が略９０度であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
3. 前記一体の位相格子が入射光に対して与える位相差が略１８０度であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
4. 光伝搬の方向と略垂直な方向に隣接する前記屈折率相違領域は、前記屈折率相違領域と等しい屈折率を有する領域で連結されており、前記屈折率相違領域は、各位相格子全体に渡って一体となっていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光導波路。
5. １本以上の第１の入出力導波路と、
   前記第１の入出力導波路の端部に前記スラブ導波路の前記アレイ導波路と反対側の端部が接続された請求項１から４のいずれかに記載の光導波路と、
   前記アレイ導波路の前記スラブ導波路と反対側の端部に接続された第２のスラブ導波路と、
   前記第２のスラブ導波路の前記アレイ導波路と反対側の端部に接続された１本以上の第２の入出力導波路と、
   を備えることを特徴とするアレイ導波路回折格子。

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