JP6028339B2 - 波長選択性経路切換素子 - Google Patents

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Description

この発明は、波長の相違に基づき光経路を切り換える波長選択性経路切換素子に関する。
近年、加入者系光アクセスシステムは、1つの局側光回線終端装置（OLT: Optical Line Terminal）と複数の加入者側光回線終端装置（ONU: Optical Network Unit）を、光ファイバ及びスターカプラを介して接続し、OLTを複数のONUが共有する形態に構成される、光ネットワーク（PON: Passive Optical Network）通信システムが主流となっている。この通信システムでは、OLTからONUへ向けた下り通信に使われる光信号の波長と、ONUからOLTに向けた上り通信に使われる光信号の波長とを違えて、下り通信と上り通信とが相互に干渉しあわないようにされている。
OLT及びONUは、波長フィルタ、フォトダイオード、レーザダイオード等の光学素子を備えて構成される。これらの光学素子を、レンズを用いて空間結合させるにはそれぞれの光学素子の中心位置（受光位置あるいは発光位置）を設計位置に合せるための複雑な光軸合せ作業が必要である。そこで、この光軸合せ作業を、量産工程に適するように単純化することが課題である。
OLT及びONUにおいては、下り通信に使われる光信号の経路と上り通信に使われる光信号の経路を切り換える経路切換素子が必要となる。これは、OLT及びONUのそれぞれにおいて、送信信号を送り出す経路と受信信号を受け取る経路とを切り換えて、それぞれの光信号を共通の1本の光ファイバに結合させる必要があるからである。この経路切換素子を、OLT及びONUの組立工程で量産に適する形態とするための有力な手段が、レンズの代わりに光導波路を利用して光学素子を結合することである（例えば、特許文献1〜5参照）。
光導波路を利用して光学素子を結合する手段をとれば、光は光導波路内に閉じ込められて伝搬するため、レンズを用いる空間結合系を形成するときのように複雑な光軸合せを必要としない。波長フィルタ、フォトダイオード、レーザダイオード等の光学素子は光導波路が形成された基板に設置位置を示すマーカーを形成しておけば、それぞれの光学素子の中心位置が最適位置にくるように配置することは容易である。すなわち、光導波路を用いれば、経路切換素子を量産性に優れる工程で製造することが可能となる。
近年、PON通信システムを構成するONU及びOLTが備える経路切換素子を、小型化及び量産性に優れるシリコン(Si)を導波路素材とするシリコン細線型光導波路で構成することが注目されている（例えば、非特許文献1〜3参照）。この経路切換素子は、下り通信に使われる光信号の経路と上り通信に使われる光信号の経路を、波長の相違に基づき切り換えるための素子であるので、波長フィルタとしての機能も備えている。
シリコン光導波路（コア）をシリコンよりも屈折率の小さい素材で囲む構成の光導波路をシリコン細線型光導波路と呼ぶ。シリコンよりも屈折率の小さい素材とは、例えば、酸化シリコン（SiO2）等である。シリコン細線型光導波路において、コアを形成するシリコンとクラッドを構成する酸化シリコンの屈折率差はきわめて大きい。そのため、導波光の光電場成分のほとんどをコアに閉じ込めることが可能であり、コアの断面寸法をサブミクロン程度と極めて細く形成することができる。また、シリコン細線型光導波路は、半導体素子の製造工程と共通の工程を利用して容易に量産することができる。
米国特許第４，８６０，２９４号明細書 米国特許第５，７６４，８２６号明細書 米国特許第５，９６０，１３５号明細書 米国特許第７，０７２，５４１号明細書 特開平０８−１６３０２８号公報
Serge Bidnyk, et al., "Silicon-on-Insulator-Based Planar Circuit for Passive Optical Network Applications", IEEE Photonics Technology Letters, vol. 18, No. 22, p. 2392, November 15, 2006, pp. 2392-2394 Ning-Ning Feng, et al., "Low-Loss Polarization-Insensitive Silicon-on-Insulator-Based WDM Filter for Triplexer Applications", IEEE Photonics Technology Letters, vol. 20, No. 23, December 1, 2008 , pp. 1968-1970 Hsu-Hao Chang, et al., "Integrated hybrid silicon triplexer", Optics Express, vol. 18, No. 23, November 8, 2010, pp. 23891-23899
PON通信システムを構成するONU及びOLTが備える経路切換素子は、上述のように波長フィルタとしての機能を有していなければならない。シリコン細線型光導波路で構成される経路切換素子において、波長フィルタとしての機能を実現する構成要素として回折格子が一般的に使われる。しかしながら、この回折格子の周期は、この経路切換素子で経路切換の対象とされる光信号の光搬送波の波長よりはるかに短く形成する必要がある。このような微細な構造を有する回折格子を製造するには高度な技術が必要とされる。
また、回折格子のブラッグ反射波長より短波長側の光成分が回折格子を形成している光導波路から外部に放射される現象がある。このため、回折格子を備える経路切換素子をONUあるいはOLTに組み込む際にこの外部に放射される光成分を何らかの方法で処理する必要がある。
この発明の発明者は、方向性光結合器の結合長が波長に依存して決まることに着目した。そこで、鋭意研究した結果、第1光導波路と第2光導波路とを仲介光導波路を挟んで配置し、第1光導波路と仲介光導波路とで第1の方向性光結合器の構造を形成させ、仲介光導波路と第2光導波路とで第2の方向性光結合器の構造を形成させることで波長選択性経路切換素子を構成させることが可能であることを確かめた。
すなわち、この発明は、微細構造を有さず低コストで簡便に形成することが可能であり、しかも光導波路から外部に光が放射されることがない波長選択性経路切換素子を提供することを目的とする。
この発明の要旨によれば、上述の目的を達成するため、波長選択性経路切換素子は、以下の特徴を具えている。
この発明の波長選択性経路切換素子は、第1光導波路と、第2光導波路と、仲介光導波路とを備えている。第1光導波路と第2光導波路は、仲介光導波路を挟んで配置される。第1光導波路と仲介光導波路とは近接して平行に形成され、仲介光導波路と第2光導波路とは近接して平行に形成されている。
そして、第1光導波路に入力される第1の波長の光に対して、第1光導波路、仲介光導波路、及び第2光導波路を伝搬させてこの第2光導波路から出力されるように形成されており、第1光導波路に入力される第2の波長の光に対して、この第1光導波路から出力されるように形成されている。
この発明の波長選択性経路切換素子によれば、第1光導波路と仲介光導波路とで第1の方向性光結合器が実現されており、仲介光導波路と第2光導波路とで第2の方向性光結合器が実現されている。従って、第1及び第2の方向性光結合器の結合長をそれぞれ第1の波長の結合長に設定し、かつ第2の波長の光が第1光導波路から仲介光導波路に移行しないように設定しておけば、第1及び第2の波長の信号光に対して選択的に経路切換が可能となる。
また、第1光導波路と第2光導波路とを仲介光導波路を挟んで配置された構成の素子であり回折格子を必要としていない。従って、微細構造（回折格子）を備える必要がないので、製造するに当り高度な技術を必要とされない。
更に、第1光導波路、第2光導波路及び仲介光導波路はシリコン光導波路として同一の層に形成された構成とされているので、製造工程の数を減らすことができ、低コストで簡便に形成可能な波長選択性経路切換素子を提供することが可能となる。また、回折格子を備えていないので、光導波路から外部に光が放射されることがない。
第1の実施形態の波長選択性経路切換素子の構成を示す概略的斜視図である。 第1の実施形態の波長選択性経路切換素子を構成する光導波路パターンを示す概略的平面図である。 第1光導波路、第2光導波路、及び仲介光導波路の等価屈折率を波長の関数として表す図である。 第1の実施形態の波長選択性経路切換素子の切換機能の波長依存性についての説明に供する図である。 第2の実施形態の波長選択性経路切換素子を構成する光導波路パターンを示す概略的平面図である。 スロット部を有する光導波路の伝搬モードの等価屈折率依存性についての説明に供する図である。 第2の実施形態の波長選択性経路切換素子の切換機能の波長依存性についての説明に供する図である。 第3の実施形態の波長選択性経路切換素子を構成する光導波路パターンを示す概略的平面図である。 第3の実施形態の波長選択性経路切換素子の切換機能の波長依存性についての説明に供する図である。 第4の実施形態の波長選択性経路切換素子を構成する光導波路パターンを示す概略的平面図である。 光導波路の伝搬モードの波長依存性についての説明に供する図である。 第4の実施形態の波長選択性経路切換素子の切換機能の波長依存性についての説明に供する図である。
以下、図を参照して、この発明の実施形態につき説明する。なお、この発明の波長選択性経路切換素子の概略的構成を示す各図は、この発明の実施形態に係る一構成例を示すものであり、この発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の構成素材及び設計条件等を用いることがあるが、これら構成素材及び設計条件等は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。また、各図において同様の構成要素については、同一の番号を付して示し、その重複する説明を省略することもある。
＜第1の実施形態の波長選択性経路切換素子＞
図1及び図2を参照して、第1の実施形態の波長選択性経路切換素子の構成について説明する。図1は、波長選択性経路切換素子の構成を示す概略的斜視図であり、図2は、第1の実施形態の波長選択性経路切換素子を構成する光導波路パターンを示す概略的平面図である。
図1に示すように、波長選択性経路切換素子は、次のように構成されている。シリコン基板10上に第1光導波路18と、第2光導波路20と、仲介光導波路16とを含む光導波路パターン構造体が形成されている。光導波路パターン構造体は、Siを素材とする光導波路パターンとこの光導波路パターンをコアとして取り囲むSiO2クラッド層12からなる。光導波路パターン構造体は、Siをコアとして、このコアをSiO2材で囲んで構成される構造体であるので、シリコン細線型光導波路と総称されることもある。
ここで、波長選択性経路切換素子を構成する光導波路パターンにつき説明する。光導波路パターンは、第1光導波路18と、第2光導波路20と、仲介光導波路16とを備えている。第1光導波路18には第2の波長の光24を入力させるための入力導波路19が接続されている。第2光導波路20には第1の波長の光22を出力させるための出力導波路21が接続されている。また、仲介光導波路16は、第1光導波路18と第2光導波路20に挟まれて配置されている。また、第1光導波路18の入力導波路19が接続された側と反対側の入出力端は、第1の波長の光22を入力させ第2の波長の光24を出力させる。
入力導波路19は、例えば、送信光信号を出力するレーザダイオードの出力光が入力されるように構成され、また出力導波路21は、出力導波路21から出力される光信号をフォトダイオードに入力されるように形成される。
図2に示すように、第1光導波路18、第2光導波路20、及び仲介光導波路16の幅は、それぞれW1、W2、W3である。そして、第1光導波路18と仲介光導波路16とは近接して長さL1にわたって間隔G1を隔てて平行に形成され、仲介光導波路16と第2光導波路20とは近接して長さL2にわたって間隔G2を隔てて平行に形成されている。
第1光導波路18の幅W1は第1の波長の光22及び第2の波長の光24がシングルモード伝搬する条件に設定され、第2光導波路20の幅W2は第1の波長の光22がシングルモード伝搬する条件に設定され、仲介光導波路16の幅W3は第1の波長の光22及び第2の波長の光24がシングルモード伝搬あるいはマルチモード伝搬する条件に設定される。更に、第1光導波路18の幅W1、第2光導波路20の幅W2、及び仲介光導波路16の幅W3は、この伝搬モード条件で第1の波長の光22がそれぞれの光導波路を伝搬する際の等価屈折率(Effective guide index)が等しくなるように設定される。
長さL1及び間隔G1は、第1の波長の光22を第1光導波路18から仲介光導波路16へ移行させ、第2の波長の光24が移行されない条件に設定されている。また、長さL2及び間隔G2は、第1の波長の光22を仲介光導波路16から第2光導波路20へ移行させる条件に設定されている。
ここで、第1光導波路18、仲介光導波路16、及び第2光導波路20を伝搬する光の伝搬モードについて、図2を参照して説明する。第1光導波路18の幅W1は第1の波長の光22及び第2の波長の光24が第1光導波路18をシングルモード伝搬する条件に設定されているので、第1光導波路18を伝搬する第1の波長の光22及び第2の波長の光24の振幅分布は、図2に示す（図2でPと示してある）ように、光導波路の中心部分で一つのみの極大をもつ。また、第2光導波路20を伝搬する第1の波長の光22の振幅分布は同様に光導波路の中心部分で一つのみの極大をもつ(図2でRと示してある)。すなわち、いずれの光導波路においてもシングルモードで光が伝搬される。
一方、仲介光導波路16の幅W3は第1の波長の光22及び第2の波長の光24が仲介光導波路をマルチモード伝搬する条件に設定されていれば、仲介光導波路16を伝搬する第1の波長の光22及び第2の波長の光24の振幅分布は、図2に示す（図2でQと示してある）ように、光導波路中で複数の極大をもっている。図2では光電場の振幅が3つの極値をもつ例が示されている。
波長選択性経路切換素子においては、第1光導波路18と仲介光導波路16とで第1の方向性光結合器が形成され、仲介光導波路16と第2導波路20とで第2の方向性光結合器が形成されていると見ることができる。
第1の波長の光22は第1光導波路18を図2の下から上に向ってシングルモードで伝搬するとそれに伴って徐々に第1の波長の光22の光電場のエネルギーは仲介光導波路16に移動してゆく。第1の波長の光22の光電場のエネルギーが最も多く仲介光導波路16に移動するまでの伝搬距離が結合長に当り、この結合長がL1である。また、間隔G1は第1光導波路18あるいは仲介光導波路16を伝搬する第1の波長の光22の光電場がコアから漏れ出す範囲(エバネッセントフィールド)として定義される値に設定される。
第1光導波路18と仲介光導波路16とが近接して間隔G1を隔てて平行に形成されており、第1光導波路18と仲介光導波路16の等価屈折率が等しい場合、第1の波長の光22が第1光導波路18を伝搬すると結合長だけ伝搬した時点で第1の波長の光22の光電場のエネルギーが最も多く仲介光導波路16に移動するが、それより更に伝搬すると再び仲介光導波路16から第1光導波路18に光電場のエネルギーが移動する。このような光エネルギーの移動が結合長だけ進んだ時点で第1光導波路18から仲介光導波路16へ、あるいは仲介光導波路16から第1光導波路18へ交互に移動する。従って、L1の値を結合長の奇数倍に設定すれば、第1の波長の光22の光電場のエネルギーが最も多く仲介光導波路16に移動することになる。しかしながら、波長選択性経路切換素子のサイズは小さいほど好ましいので、L1の値は結合長に設定するのが好ましい。
第2の方向性光結合器が形成されていると見なせる仲介光導波路16と第2光導波路20との間隔G2、及び平行に形成されている部分の長さL2についても同様である。すなわち、第2の方向性光結合器の結合長がL2であり、間隔G2は第2光導波路20あるいは仲介光導波路16を伝搬する第1の波長の光22の光電場が漏れ出す範囲として定義される値に設定される。
以上説明した波長選択性経路切換素子をONU及びOLTに設置する場合は、上述の第1の波長の光22と第2の波長の光24とを互いに入れ替えて動作するように設計すればよい。すなわち、ONUに設置する波長選択性経路切換素子の第1の波長の光22と第2の波長の光24とに対して、OLTに設置する波長選択性経路切換素子については、第1の波長と第2の波長を入れ替えて動作するように設定すればよい。
図1及び図2を参照して説明した波長選択性経路切換素子を構成する光導波路パターン構造体は、例えば、SOI(Silicon on Insulator)基板を入手して、以下の工程によって形成できる。SOI基板は、広く市販品として入手可能であり、シリコン基板に酸化シリコン層、及びこの酸化シリコン層上に光導波路の厚みの寸法に等しい厚みのシリコン層が形成されている。
SOI基板の酸化シリコン層上に形成されているシリコン層に対して、ドライエッチング等の手法によって、光導波路パターンだけを残してエッチングして取り除く。それに続き、エッチング処理で残された光導波路パターンを導波構造のコアとして取り囲むSiO2クラッドを化学気相成長(CVD: Chemical Vapor Deposition)法等によって形成する。SiO2クラッドは、少なくとも光導波路パターンとして残されたシリコン層の厚みと同程度の厚みに形成すればよく、必ずしも光導波路パターンが完全に覆われる厚みまで厚く形成する必要はない。
こうして、シリコン基板10上に第1光導波路18と、第2光導波路20と、仲介光導波路16とを含む光導波路パターン構造体が同一の層（シリコン基板10上に形成された光導波路パターン構造体）として形成される。すなわち、光導波路パターン構造体が、光導波路パターン構造体として一括形成される。
図3を参照して、第1光導波路18、第2光導波路20、及び仲介光導波路16の等価屈折率を波長の関数としてシミュレーションした結果を説明する。第1光導波路18及び第2光導波路20は、コアがSi材で形成された光導波路であり、その断面形状は一辺（幅W1、W2）が300nmの正方形であるシングルモード光導波路としてシミュレーションした。仲介光導波路16は、コアをSi材で形成された光導波路であり、その断面形状は厚みが300nmであって幅（W3）が1340nm及び645nmの矩形である2種類の光導波路に対してシミュレーションした。
図3の横軸は波長をミクロンメートル（μm）単位で目盛って示してあり、縦軸は等価屈折率を示している。300nmの正方形の断面構造の光導波路(幅W1、W2である第1光導波路18及び第2光導波路20を想定している)の等価屈折率を丸印と実線aで示してある。丸印で示す等価屈折率が計算で求めた値を示しており、実線aはこれら計算値を通るように引かれている。
厚みが300nmであって幅(W3)が1340nmである矩形の光導波路(幅がW3である仲介光導波路16)の等価屈折率を正方形と破線bで示してあり、厚みが300nmであって幅（W3）が645nmである矩形の光導波路(幅がW3である仲介光導波路16を想定している)の等価屈折率を菱形と破線cで示してある。正方形あるいは菱形は等価屈折率の計算値を示しており、破線b及びcはこれら計算値を通るように引かれている。
波長が1.6μmで導波路幅の異なるそれぞれの光導波路の等価屈折率の値が一致していることが分かる。従って、第1の波長を1.6μmと設定し、第1の波長の光22を第1光導波路18に入力させれば、第1光導波路18、仲介光導波路16、及び第2光導波路20を伝搬させてこの第2光導波路20に接続された出力導波路21から出力される。
仲介光導波路16として、厚みが300nmであって幅(W3)が1340nmである矩形の光導波路を採用した場合、第1の波長の光22は第1光導波路18をシングルモードで伝搬し、仲介光導波路16を3次のマルチモードで伝搬し、第2光導波路20をシングルモード伝搬する。また、仲介光導波路16として、厚みが300nmであって幅(W3)が645nmである矩形の光導波路を採用した場合、第1の波長の光22は第1光導波路18、及び第2光導波路20のいずれの光導波路もシングルモード伝搬する。仲介光導波路16は1次のマルチモードで伝搬する。
一方、第2の波長を1.6μmと異なる値に設定し、かつ、第1光導波路18に接続された入力導波路19から第2の波長の光24を入力すれば、第2の波長の光24は仲介光導波路16及び第2光導波路20に移行されることはなく、この第1光導波路18から出力される。
図4を参照して、波長選択性経路切換素子の切換機能の波長依存性について、3次元FDTD(Finite Difference Time Domain)法によってシミュレーションした結果を説明する。図4に示すシミュレーション結果は、W1＝300nm、G1＝750nm、L1＝95μm、W2＝1340nm、G2＝220nm、L2＝20μmと設定して得られたものである。
図4の横軸は波長をミクロンメートル（μm）単位で目盛って示してあり、縦軸は光強度をdBスケールで示してある。入力光を第1光導波路18から入力させて、第1光導波路18の入出力端から出力される光の強度を曲線aによって示してあり、出力導波路21から出力される光の強度を曲線bによって示してある。出力導波路21から出力される光は、第1光導波路18、仲介光導波路16及び第2光導波路20を順次伝搬した光成分である。一方、第1光導波路18の入出力端から出力される光は、入力導波路19から第1光導波路18に入力された後、この第1光導波路18を伝搬して出力される光である。
波長1.6μmにおいて曲線aで示す第1光導波路18の入出力端から出力される光の強度が減少し極小となる一方、曲線bで示す出力導波路21から出力される光の強度は極大となっている。これは、第1の波長を1.6μmに設定した場合、第1の波長の光22は第1光導波路18に入力された後、仲介光導波路16、第2光導波路20と移行されて伝搬し第2光導波路20に接続された出力導波路21から出力されることを意味している。これに対して第2の波長を1.6μmからずれた値に設定すれば、第2の波長の光24は入力導波路19から入力された後、第1光導波路18を伝搬して出力されることとなる。
従って、第1の波長を1.6μmとして下り光信号の波長として割り当て、第2の波長を1.6μmからずれた値の波長として上り信号の波長として割り当てれば、PON通信システムのONUあるいはOLTに設置して好適な波長選択性経路切換素子が実現される。なお、特定波長の光選択機能は、第1光導波路18から仲介光導波路16へ移行する際と、仲介光導波路16から第2光導波路20へ移行する際の2段階で行われるため、他の波長に対する消光比が良くなる。他の波長が幾分第1光導波路18から仲介光導波路16へ移行しても、仲介光導波路16から第2光導波路20へ移行する際は大部分が仲介光導波路16に残り、第2光導波路20に移る光からは排除されるからである。
＜第2の実施形態の波長選択性経路切換素子＞
図5(A)及び(B)を参照して第2の実施形態の波長選択性経路切換素子の構成について説明する。図5(A)及び(B)は、波長選択性経路切換素子を構成する光導波路パターンを示す概略的平面図である。第2の実施形態の波長選択性経路切換素子も、上述の第1の実施形態の波長選択性経路切換素子と同様の手法で形成できる。ここで、第2の実施形態の波長選択性経路切換素子を構成する光導波路パターンにつき説明する。
光導波路パターンは、第1光導波路28と、第2光導波路30（または20）と、仲介光導波路16とを備えている。第1光導波路28には第2の波長の光24を入力させるための入力導波路19が接続されている。第2光導波路30（または20）には第2の波長の光24を出力させるための出力導波路21が接続されている。また、仲介光導波路16は、第1光導波路28と第2光導波路30（または20）に挟まれて配置されている。また、第1光導波路28の入力導波路19が接続された側と反対側の入出力端は、第1の波長の光22を入力させ第2の波長の光24を出力させる。
上述の第1の実施形態の波長選択性経路切換素子との相違点は、図5(A)に示すように、第1光導波路28が、当該第1光導波路のコアの中心部分に導波方向に沿って当該コアの屈折率よりも低い屈折率を有するスロット部28Sが設けられている点である。また、第2光導波路30にも同様にスロット部30Sが設けられている点である。図5(B)に示すように第2光導波路20にはスロット部30Sを設けなくともよい。スロット部が設けられた光導波路をスロット光導波路と略称することもある。
更に、図5(B)に示すように第1光導波路28を、2本の平行光導波路28-1及び28-2で構成しこの平行光導波路28-1及び28-2を伝搬する光をMMI(Multi Mode Interference)カプラ40a及び40bで合分波する構成とすることもできる。第1光導波路28を図5(B)に示す構成とすることで、後述するように第1光導波路28を伝搬する光に対する伝搬モードの等価屈折率の波長依存性を鋭くすることが可能である。これによって、図5(A)に示す第1光導波路28と仲介光導波路16を伝搬する光の伝搬モードの等価屈折率の波長依存性と、図5(B)に示す第1光導波路28と仲介光導波路16を伝搬する光の伝搬モードの等価屈折率の波長依存性とを比較すると、後者の波長依存性が大きく、素子の波長フィルタとしての機能（波長選択性）がより向上する。
図6を参照して、スロット光導波路の伝搬モードの等価屈折率の波長依存性をシミュレーションした結果について説明する。図6の横軸は波長をミクロンメートル（μm）単位で目盛って示してあり、縦軸は等価屈折率を示している。
スロット光導波路の幅は600nmで、スロット部の幅は300nmである。この条件でこのスロット部を有する光導波路の伝搬モード（0次の伝搬モード）の等価屈折率の波長依存性を黒四角形及びこの黒四角形をつなぐ破線aで示してある。一方、比較のために、導波路幅が1.3μmである光導波路（仲介光導波路16を想定している）の3次の伝搬モード(奇数次の伝搬モード)の等価屈折率の波長依存性を、十字印及びこの十字印をつなぐ破線bで示してある。黒四角形あるいは十字印は等価屈折率の計算値を示しており、破線a及びbはこれら計算値を通るように引かれている。
スロット部が設けられていない通常の光導波路(第1の実施形態の波長選択性経路切換素子が備える第1光導波路)の0次の伝搬モードの等価屈折率は、スロット光導波路の0次の伝搬モードの等価屈折率よりも大きい。すなわち、スロット部が設けられていない通常の光導波路の0次の伝搬モードの等価屈折率は、破線aと破線bとの間の値を取る。従って、マルチモード光導波路である仲介光導波路の等価屈折率に対するスロット光導波路の等価屈折率の差は、通常の光導波路の等価屈折率との差よりもその波長依存性が大きくなる。
このため、スロット光導波路を第1光導波路として採用する第2の実施形態の波長選択性経路切換素子は、第1の実施形態の波長選択性経路切換素子よりもその波長選択性（波長フィルタとしての機能）はより鋭くなる。すなわち、波長切り換えが実行される波長帯域幅が狭くなり波長選択性が強められる。
図7(A)及び(B)を参照して、波長選択性経路切換素子の波長特性について説明する。図7(A)は第2の実施形態の波長選択性経路切換素子の波長選択性を示す図であり、図7(B)は第1の実施形態の波長選択性経路切換素子の波長選択性を示す図である。図7(A)及び(B)において、横軸は波長をミクロンメートル（μm）単位で目盛って示してあり、縦軸は光強度をリニアスケールで目盛って示してある。
両図とも曲線aは入力光を第1光導波路（図7(A)では第1光導波路28、図7(B)では第1光導波路18）から入力させて、第1光導波路の入出力端から出力される光の強度を示し、曲線bは出力導波路21から出力される光の強度を示している。図7(A)に示す第2の実施形態の波長選択性経路切換素子の波長選択性は、図5(A)及び(B)に示すいずれの形態においても同様の結果であった。また、これら図7(A)及び(B)に示す波長特性は、ビーム伝搬法(Beam Propagation Method: BPM)によって得られたシミュレーション結果である。
図7(A)に示すシミュレーション結果は、W1＝500nm、G1＝465nm、L1＝95μm、W2＝2130nm、スロット幅＝200nmと設定して得られたものである。また、図7(B)にシミュレーション結果は、W1＝280nm、G1＝385nm、L1＝95μm、W2＝2690nmと設定して得られたものである。
図7(A)及び(B)のいずれにおいても、波長1.6μmにおいて曲線aで示す第1光導波路の入出力端から出力される光の強度が減少し極小となる一方、曲線bで示す出力導波路21から出力される光の強度は極大となっている。そして両者の異なる点は、波長1.6μmにおいて曲線a及び曲線bのそれぞれの極小及び極大を示す曲線の半値幅である。すなわち、この半値幅は図7(A)に示す第2の実施形態の波長選択性経路切換素子に対する値が、図7(B)に示す第1の実施形態の波長選択性経路切換素子に対する値より狭い（1/3程度になっている）ことである。これは、上述したように、第2の実施形態の波長選択性経路切換素子は、第1の実施形態の波長選択性経路切換素子よりも波長切り換えが実行される波長帯域幅が狭くなり波長選択性が強められていることを立証している。
曲線a及び曲線bのそれぞれの極小及び極大を示す曲線の半値幅は、第1光導波路（図7(A)では第1光導波路28、図7(B)では第1光導波路18）と仲介光導波路16とが近接して間隔G1を隔てて平行に形成されている部分の長さL1に比例する。図7(A)及び(B)に示すいずれの波長選択性経路切換素子においても長さL1の値は等しいと設定したので、第1光導波路としてスロット光導波路を用いれば、同程度の波長選択特性を実現するために、第1光導波路の長さを1/3にすることが可能であり、従って、波長選択性経路切換素子そのもののサイズの小型化に寄与する。
＜第3の実施形態の波長選択性経路切換素子＞
図8(A)及び(B)を参照して第3の実施形態の波長選択性経路切換素子の構成について説明する。図8(A)及び(B)は、波長選択性経路切換素子を構成する光導波路パターンを示す概略的平面図である。第3の実施形態の波長選択性経路切換素子も、上述の第1及び第2の実施形態の波長選択性経路切換素子と同様の手法で形成できる。ここで、第3の実施形態の波長選択性経路切換素子を構成する光導波路パターンにつき説明する。
第3の実施形態の波長選択性経路切換素子の特徴は、第1光導波路の幅が導波方向に沿って変化している点にある。
光導波路パターンは、図8(A)に示すように、第1光導波路32と、第2光導波路34と、仲介光導波路16とを備えている。第1光導波路32には第2の波長の光24を入力させるための入力導波路19が接続されている。第1光導波路32は、入力導波路19の接続点に向けて導波路幅が順次広く形成されている。第1光導波路32の導波路幅については、これとは逆に入力導波路19の接続点に向けて導波路幅が順次狭くなるように形成してもよい。いずれにしても、第1光導波路32の等価屈折率と仲介光導波路16の等価屈折率とが等しくなる部分が第1光導波路32のいずれかの箇所に存在するように、第1光導波路32の幅が設定される。
第2光導波路34には第1の波長の光22を出力させるための出力導波路21が接続されている。第2光導波路34は、図8(A)に示すように、その導波路幅を変化するように形成しても、あるいは図8(B)に示すように、均一幅に形成してもよい。第2光導波路34をその導波路幅が変化するように形成した場合、第2光導波路34の等価屈折率と仲介光導波路16の等価屈折率とが等しくなる部分が第2光導波路34のいずれかの箇所に存在するように、第2光導波路34の幅が設定される。
また、第1光導波路32は、図8(B)に示すように、一部に導波路幅の異なるサブ光導波路36を設ける構造としてもよい。この場合には、サブ光導波路36の幅と、サブ光導波路36が設けられていない第1光導波路32の部分の導波路幅との中間の値の導波路幅で、仲介光導波路16の等価屈折率とが等しくなるように、サブ光導波路36の幅が設定されている。
図9(A)及び(B)を参照して、波長選択性経路切換素子の波長特性について説明する。図9(A)は図8(A)に示す形状の光導波路パターンの波長選択性経路切換素子の波長特性について示す図であり、図9(B)は図8(B)に示す形状の光導波路パターンの波長選択性経路切換素子の波長特性について示す図である。第1光導波路32、サブ光導波路36、第2光導波路34（または20）、及び仲介光導波路16の形状及びそれらの配置を適宜設定することによって、図9(A)及び(B)に示す波長特性が得られた。
図9(A)及び(B)において、横軸は波長をミクロンメートル（μm）単位で目盛って示してあり、縦軸は光強度をリニアスケールで目盛って示してある。曲線aは入力光を第1光導波路32から入力させて、第1光導波路32の入出力端から出力される光の強度を示し、曲線bは出力導波路21から出力される光の強度を示している。
図9(A)及び(B)に示すように、波長1.6μmにおいて曲線aで示す第1光導波路32の入出力端から出力される光の強度が減少し極小となる一方、曲線bで示す出力導波路21から出力される光の強度は極大となっている。曲線a及び曲線bのそれぞれの極小及び極大を示す曲線の半値幅は、上述の第1及び第2の波長選択性経路切換素子に比べて広くなっていることが分かる。すなわち、第3の波長選択性経路切換素子は、選択波長域で出力が一定（平坦）になる特性となっている。このような特性は、波長選択性経路切換素子の利用形態によっては重要となる。
＜第4の実施形態の波長選択性経路切換素子＞
図10を参照して第4の実施形態の波長選択性経路切換素子の構成について説明する。図10は、波長選択性経路切換素子を構成する光導波路パターンを示す概略的平面図である。ここで、波長選択性経路切換素子を構成する光導波路パターンにつき説明する。
第4の実施形態の波長選択性経路切換素子の特徴は、第1経路切換部50と第2経路切換部52とを備え、第1経路切換部50と第2経路切換部52とは、それぞれ第1光導波路と、第2光導波路と、仲介光導波路とを備える上述の第1〜第3の実施形態の波長選択性経路切換素子を以って形成されている点にある。そして、第1経路切換部50と第2経路切換部52とにおいて、第1の波長の光22及び第2の波長の光24の偏波方向が直交する光電場成分の一方に対してそれぞれ経路切換素子として機能するように構成されている。
光導波路パターンは、図10に示すように、第1経路切換部50と第2経路切換部52とが形成されている。第1経路切換部50は、第1光導波路18-1と、第2光導波路20-1と、仲介光導波路16-1とを備えており、第2経路切換部52は、第1光導波路18-2と、第2光導波路20-2と、仲介光導波路16-2とを備えている。それぞれの第1光導波路には第1の波長の光22及び第2の波長の光24を入出力させるための入出力導波路が接続されており、第2光導波路には第1の波長の光22を出力させるための出力導波路が接続されている。また、第1光導波路18-1と第1光導波路18-2とが接続されており、第2光導波路20-1と第2光導波路20-2とが接続されている。
図11を参照して、有限要素法(Finite Element Method: FEM)を用いて光導波路の伝搬モードの波長依存性について説明する。横軸は波長をミクロンメートル（μm）単位で目盛って示してあり、縦軸は等価屈折率を示してある。光導波路の厚みは300nmに設定した。図11において、白丸でTE(Transverse Electric Wave)モードに対する等価屈折率の値を示し、黒丸でTM(Transverse Electric Wave)モードに対する等価屈折率の値を示している。それぞれのモードにおける次数を図中にTE-0次〜TE-4次、及びTM-0次〜TM-3次と示してある。
第1光導波路18-1、18-2と、第2光導波路20-1、20-2との導波路幅を300nmとする。厚みが300nmであって導波路幅が300nmである光導波路の0次モードの等価屈折率と等しい等価屈折率を有するマルチモード光導波路の導波路幅は、TEモードに対して630nm(1次モード)、970nm(2次モード)であり、TMモードに対しては760nm(1次モード)等である。
これらの幅と等しい幅を持つ光導波路として、仲介光導波路16-1あるいは16-2を形成する。図11において四角で囲って示すTM-1次モード及びTE-2次モードに対する等価屈折率特性を、図12を参照して説明する第4の実施形態の波長選択性経路切換素子の切換機能の波長依存性についての説明において例示として取り上げる。
第1光導波路18-1、18-2及び第2光導波路20-1、20-2と、仲介光導波路16-1及び16-2とのそれぞれの導波路間隔（G1、及びG2に相当）は、第1光導波路と仲介光導波路、あるいは第2光導波路と仲介光導波路をそれぞれ複合導波路と見なし、それぞれの複合導波路中の光電場分布が対称となる伝搬モード（偶モード）と反対称となる伝搬モード(奇モード)間の等価屈折率の差Δnに基づいて算出することができる。すなわち、導波路間隔の関数として偶奇モード間の等価屈折率差Δnが求められる。従って、第1光導波路(18-1あるいは18-2)と仲介光導波路(16-1あるいは16-2)とが近接して平行に形成される部分の長さ（L1に相当する）、及び仲介光導波路(16-1あるいは16-2)と第2光導波路(20-1あるいは20-2)とが近接して平行に形成される部分の長さ（L2に相当する）が、L＝λ/(2Δn)の関係を用いて決定される。ここで、λは第1あるいは第2の波長である。
図12(A)及び(B)を参照して、第4の実施形態の波長選択性経路切換素子の切換機能の波長依存性について説明する。図12(A)はTEモードで第1及び第2の波長が伝播することを想定して示す波長依存性であり、図12(B)はTMモードで第1及び第2の波長が伝播することを想定して示す波長依存性である。すなわち、図12(A)に示すTEモードとは図11において四角で囲って示したTE-2次モードを意味し、TMモードとはTM-1次モードを意味する。
図12(A)及び(B)の横軸は波長をミクロンメートル（μm）単位で目盛って示してあり、縦軸は光強度をdB単位で目盛って示してある。また、これら図12(A)及び(B)に示す波長特性は、BPMによって得られたシミュレーション結果である。
図12(A)及び(B)において、図1及び図2を参照して説明した第1の実施形態の波長選択性経路切換素子に対して、曲線aは入力光を第1光導波路18から入力させて、第1光導波路の入出力端から出力される光の強度を示し、曲線bは出力導波路21から出力される光の強度を示している。TE及びTMモードのいずれにおいても波長1577nmにおいて、経路の切換が起こっていることが読み取れる。
このことから、第1経路切換部50と第2経路切換部52とにおいて、第1の波長の光22及び第2の波長の光24の偏波方向が直交する光電場成分の一方に対してそれぞれ経路切換素子として機能するように構成することが可能であることが立証された。
このように、第1経路切換部50と第2経路切換部52とを直列に接続する構成とすることによって、第1及び第2の波長の光の偏波に依存しない経路切り換えが行える偏波無依存型の波長選択性経路切換素子が実現される。
10：シリコン基板
12：SiO2クラッド層
16、16-1、16-2：仲介光導波路
18、18-1、18-2、28、32：第1光導波路
19：入力導波路
20、20-1、20-2、30、34：第2光導波路
21：出力導波路
22：第1の波長の光
24：第2の波長の光
28-1、28-2：平行光導波路
28S、30S: スロット部
36:サブ光導波路
40a、40b：MMIカプラ
50：第1経路切換部
52：第2経路切換部

Claims (3)

  1. 第1光導波路と、第2光導波路と、仲介光導波路とを備え、
    前記第1光導波路と前記第2光導波路とが前記仲介光導波路を挟んで配置され、
    前記第1光導波路と前記仲介光導波路とは近接して平行に形成され、
    前記仲介光導波路と前記第2光導波路とは近接して平行に形成されており、
    前記第1光導波路に入力される第1の波長の光を、前記第1光導波路、前記仲介光導波路、及び第2光導波路を伝搬させて当該第2光導波路から出力させるように形成され、
    前記第1光導波路に入力される第2の波長の光を、当該第1光導波路から出力させるように形成されており、
    前記第1光導波路、前記第2光導波路、及び前記仲介光導波路の幅が、それぞれW 1 、W 2 、W 3 であり、
    前記第1光導波路と前記仲介光導波路とは近接して長さL 1 にわたって間隔G 1 を隔てて平行に形成され、前記仲介光導波路と前記第2光導波路とは近接して長さL 2 にわたって間隔G 2 を隔てて平行に形成されており、
    前記第1光導波路の幅W 1 は前記第1及び第2の波長の光が前記第1光導波路をシングルモード伝搬する条件に設定され、前記第2光導波路の幅W 2 は前記第1の波長の光が前記第2光導波路をシングルモード伝搬する条件に設定され、前記仲介光導波路の幅W 3 は前記第1及び前記第2の波長の光が前記仲介光導波路をマルチモード伝搬する条件に設定されており、
    前記長さL 1 及び前記間隔G 1 は、前記第1光導波路に入力される前記第1の波長の光を、前記第1光導波路から前記仲介光導波路へ移行させる条件に設定され、前記長さL 2 及び前記間隔G 2 は、当該第1の波長の光を当該仲介光導波路から前記第2光導波路へ移行させる条件に設定されており、かつ
    前記長さL 1 及び前記間隔G 1 は、前記第1光導波路に入力される前記第2の波長の光を、当該第1光導波路から出力させるように設定されており、
    前記第1光導波路は、コアの中心部分に導波方向に沿って当該コアの屈折率よりも低い屈折率を有するスロット部が設けられている
    ことを特徴とする波長選択性経路切換素子。
  2. 前記第1光導波路の幅が導波方向に沿って変化していることを特徴とする請求項1に記載の波長選択性経路切換素子。
  3. 第1経路切換部と第2経路切換部とを備え、
    前記第1経路切換部と前記第2経路切換部とは、それぞれ請求項1又は2に記載の波長選択性経路切換素子を以って形成されており、
    前記第1経路切換部と前記第2経路切換部とにおいて、第1及び第2の波長の光の偏波方向が直交する光電場成分の一方に対してそれぞれ経路切換素子として機能するように構成されている
    ことを特徴とする波長選択性経路切換素子。
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