JP6328189B2

JP6328189B2 - 光波長フィルタ

Info

Publication number: JP6328189B2
Application number: JP2016159284A
Authority: JP
Inventors: 陽介太縄
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd; Photonics Electronics Technology Research Association
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd; Photonics Electronics Technology Research Association
Priority date: 2016-08-15
Filing date: 2016-08-15
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2036-08-15
Also published as: JP2018028567A

Description

この発明は、光導波路型の光波長フィルタに関し、特に、１つの導波路に重畳された、それぞれ異なる波長が割り当てられたＭ個（Ｍは２以上の整数）の信号を、Ｍ本の導波路に分岐する、あるいは、Ｍ本の導波路にそれぞれ異なる波長が割り当てられて伝播するＭ個の信号を、１本の導波路に集約するのに用いられる、１：Ｍ型波長合分波フィルタに関する。

情報伝達量の増大に伴い、光配線技術が注目されている。光配線技術では、光ファイバや光導波路素子を伝送媒体とした光デバイスを用いて、情報処理機器内の素子間、ボード間又はチップ間等の情報伝達を光信号で行う。その結果、高速信号処理を要する情報処理機器においてボトルネックとなっている、電気配線を使用することによる帯域制限を改善することができる。

光デバイスとして、特にシリコン（Ｓｉ）を導波路の材料として用いる光導波路素子（以下、Ｓｉ光導波路素子）が注目を集めている。Ｓｉ光導波路素子では、実質的に光の伝送路となる導波路コアを、Ｓｉを材料として形成する。そして、Ｓｉよりも屈折率の低い例えば石英（ＳｉＯ_２）等を材料としたクラッドで、導波路コアの周囲を覆う。このような構成により、導波路コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きくなるため、導波路コア内に光を強く閉じ込めることができる。その結果、曲げ半径を例えば数μｍ程度まで小さくした、小型の曲線導波路を実現することができる。そのため、電子回路と同程度の大きさの光回路を作成することが可能であり、光デバイス全体の小型化に有利である。

また、Ｓｉ光導波路素子では、ＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の半導体装置の製造過程を流用することが可能である。そのため、チップ上に電子機能回路と光機能回路とを一括形成する光電融合（シリコンフォトニクス）の実現が期待されている（例えば特許文献１、非特許文献１及び非特許文献２参照）。

ここで、光導波路素子として光波長フィルタがある。光波長フィルタは、波長ごとにそれぞれ異なる経路を伝播する複数の光信号を一つの導波路に集約する機能、あるいは、一つの導波路に重畳された複数信号を波長ごとに異なる経路に割り当てる機能を有する。この光波長フィルタは、伝送経路の利用効率の向上のための重要な素子である。特にシリコン導波路を利用して構成されるＡＷＧ（ＡｒｒａｙｅｄＷａｖｅｇｕｉｄｅＧｒａｔｉｎｇ）は小型で良好な波長応答特性が得られるとして注目される。

シリコン導波路を利用して構成されるＡＷＧは、入力導波路、第１スターカプラ、アレイ導波路、第２スターカプラ、および出力導波路から構成され、各構成要素がこの順序で接続される（例えば、非特許文献３参照）。

特開２０１１−７７１３３号公報

e Proc. Of SPIE vol.6775 6775OK-1-6775OK-10 IEEE Journal of selected topics quantum electronics, vol.12, No.6, November/December 2006 p.1371-1379 Technical digest of Group IV Photonics 2009, paper ThP6

コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きなＳｉ光導波路素子では、シングルモード伝播条件を満たすためのコア断面寸法が数百ｎｍ四方と極めて微細である。また、第１スターカプラ及び第２スターカプラとアレイ導波路との接続部における隣接アレイ導波路間の最小ギャップは、シリコン導波路作製工程におけるフォトリソグラフィの解像限界のため、数百ｎｍ程度に制限される。

このため、第１スターカプラとアレイ導波路との接続部において、隣接したアレイ導波路間のギャップとアレイ導波路の導波路幅寸法とが同等の大きさとなってしまい、その結果、入力導波路および第１スターカプラとを伝播してきた光が、上述したアレイ導波路間の隙間から外部に放射されてしまい、光の損失が極めて大きくなる。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、光導波路型の光波長フィルタとして、低損失なＡＷＧを提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の光波長フィルタは、第１結合部を有する第１導波路コアと、第２結合部、及び、第２結合部に並列に接続されたＮ（Ｎは、Ｎ≧２の自然数）個のポートを有する第２導波路コアと、異なる光路長を有するＮ本のチャネル導波路コアを含むアレイ導波路コアと、スターカプラと、合分波入出力部とを備えて構成される。

第１結合部と第２結合部とが互いに離間しかつ並んで配置された、結合領域が設定されており、結合領域において、第１結合部及び第２結合部は、第１結合部を伝播する基本モードの光の伝播定数と、第２結合部を伝播するＮ−１次モードの光の伝播定数とが一致する幅をそれぞれ含む。また、ポートは、Ｎ−１次モードの光のモードフィールドが有するＮ個のピークと一対一対応する位置に配置されている。

チャネル導波路コアは、ポートに一対一に接続され、アレイ導波路コア、スターカプラ及び合分波入出力部がこの順に接続されている。

上述した光波長フィルタの実施にあたり、好ましくは、Ｎ個のポートと、Ｎ本のチャネル導波路コアとを一対一に接続する、Ｎ本の位相補償アームを含む位相補償部をさらに備えるのが良い。位相補償アームとして、第１アームと第２アームとが交互に配置され、第１アームを伝播する光と、前記第２アームを伝播する光との間に、位相差πを与える。

この発明の光波長フィルタによれば、基本モードの光を、Ｎ個のピークを含んでいるＮ−１次モードの光に変換し、そして、これらピークと一対一対応する位置に、ポートを配置することによって、アレイ導波路コアに入力される光の損失を抑えることができる。

また、位相補償部を備えることで、Ｎ−１次モードの光の隣接するピーク間に生じる初期位相差πを補償することができる。

光波長フィルタの導波路コアの概略平面図である。第１導波路コア及び第２導波路コアの部分の概略平面図である。第１及び第２結合部を伝播する光の伝播定数と伝播軸座標との関係を示す図である。第３接続部及びポートを示す概略図である。位相補償構造の概略図である。第１導波路コア及び第２導波路コアについてのＦＤＴＤ（ＦｉｎｉｔｅＤｉｆｆｅｅｒｅｎｔｉａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎ）計算スペクトルを示す概略図である。位相補償構造における第１アームと第２アームとの位相関係の波長特性を示す図である。光波長フィルタの解析波長応答特性を示す図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（光波長フィルタ）
この発明のアレイ導波路回折格子型光波長フィルタ（以下、光波長フィルタとも称する。）は、支持基板、クラッド層及び導波路コアを備える光導波路素子として構成されている。

支持基板は、例えば単結晶Ｓｉを材料とした平板状体で構成されている。クラッド層は、支持基板上に、支持基板の上面を被覆し、かつ導波路コアを包含して形成されている。クラッド層は、例えばＳｉＯ_２を材料として形成されている。

図１及び図２を参照して、光波長フィルタの導波路コアについて説明する。図１は、光波長フィルタの導波路コアの概略平面図である。図２は、導波路コアのうち、第１導波路コア及び第２導波路コアの部分の概略平面図である。

導波路コアは、クラッド層よりも高い屈折率を有する例えばＳｉを材料としてそれぞれ形成されている。その結果、導波路コアは、実質的な光の伝送路として機能し、入力された光がこれらの平面形状に応じた伝播方向に伝播する。また、導波路コアは、伝播する光が支持基板へ逃げるのを防止するために、支持基板の上面から例えば少なくとも１〜３μｍ程度の範囲内の距離で離間して形成されているのが好ましい。

導波路コアは、第１導波路コア３０、第２導波路コア４０、アレイ導波路コア６０、スターカプラ７０及び合分波入出力部８０を備えて構成される。

第１導波路コア３０は、第１結合部３５を有している。また、第２導波路コア４０は、第２結合部４１と、Ｎ（Ｎは、２以上の自然数）個のポート４７−１〜Ｎとを有している。Ｎ個のポート４７−１〜Ｎは、それぞれ第２結合部４１に、互いに並列に接続されている。

第１導波路コア３０が有する第１結合部３５と、第２導波路コア４０が有する第２結合部４１とは、互いに離間し、かつ並んで配置されている。この第１結合部３５と第２結合部４１とが、並んで配置されている領域を、結合領域５０と称する。第１導波路コア３０に入力された光は、Ｎ分岐されて、第２導波路コア４０から出力される。

アレイ導波路コア６０は、Ｎ本のチャネル導波路コア６２−１〜Ｎを含んでいる。Ｎ本のチャネル導波路コア６２−１〜Ｎは、Ｎ個のポート４７−１〜Ｎに、一対一に接続されている。

Ｎ本のチャネル導波路コア６２−１〜Ｎの光路長は、互いに異なっている。例えば、隣接するチャネル導波路コア間では、一定の経路長差ΔＬが設定され、外側に配置されるチャネル導波路コアほど総光路長が長くなるように設定される。この構成により、アレイ導波路コア６０の、Ｎ個のポート４７−１〜Ｎと接続されている端部とは反対側の端部では、波長に依存した位相差が生じる。

スターカプラ７０と接続される側のＮ本のチャネル導波路コア６２−１〜Ｎの端部は、曲率Ｒａの円弧状に構成されるスターカプラ７０の端部に沿って配置される。また、合分波入出力部８０は曲率Ｒｏの円弧状に構成されるスターカプラ７０の端部（入出力端とも称する。）に沿って配置される。なお、曲率Ｒａの円弧の中心は、入出力端の中心位置にある。従って、入出力端の中心位置は、各チャネル導波路コア６２−１〜Ｎから等距離にある。

スターカプラ７０では、各チャネル導波路コア６２−１〜Ｎから出力される光の位相差に準じて回折光群が入出力端上の所定の位置に結像される。チャネル導波路コア６２−１〜Ｎ間の位相差は波長依存性を含むため、結像位置も波長により入出力端に沿って変化する。従って、取り出したい波長信号に対して、入出力端に沿って回折光が結像される中心位置に合分波入出力部８０を設置すればよい。

続いて、図２を参照して、第１導波路コア及び第２導波路コアについて説明する。

第１導波路コア３０は、一体的に形成された入出力部３１、第１接続部３３及び第１結合部３５が、この順に接続されて構成されている。

入出力部３１は、一端３１ａ側で他の光導波路素子と接続される。また、入出力部３１は、他端３１ｂ側で第１接続部３３と接続される。入出力部３１の幅は、シングルモード条件を満たすように設定される。

第１接続部３３は、一端３３ａ側で入出力部３１と接続される。また、第１接続部３３は、他端３３ｂ側で第１結合部３５と接続される。第１接続部３３は、入出力部３１の他端３１ｂの幅から第１結合部３５の一端３５ａの幅まで連続的に幅が変化するテーパ形状で形成されている。

第１結合部３５は、一端３５ａ側で第１接続部３３と接続されている。ここでは、第１結合部３５は、一端３５ａから他端３５ｂに向かうにつれて幅が連続的に縮小するテーパ形状で形成されている。

第２導波路コア４０は、一体的に形成された第２結合部４１、第２接続部４３及び第３接続部４５が、この順に接続されて構成されている。さらに、第２導波路コア４０は、Ｎ（Ｎは、Ｎ≧２の自然数）個のポート４７を含んでいる。Ｎ個のポート４７は、第３接続部４５に、互いに並列に接続されている。

第２結合部４１は、マルチモード光導波路として構成されている。第２結合部４１は、少なくともＮ−１次モードまでの光を伝播させる幅で形成されている。ここでは、第２結合部４１は、一端４１ａから他端４１ｂまで一定の幅で形成されている。また、第２結合部４１は、他端４１ｂ側で第２接続部４３と接続されている。

第２接続部４３は、一端４３ａ側で第２結合部４１と接続される。また、第２接続部４３は、他端４３ｂ側で第３接続部４５と接続される。第２接続部４３は、第２結合部４１を伝播する光のモード次数を維持した状態で、第２結合部４１から第３接続部４５へ光を伝播させる。

また、第２接続部４３は、第２結合部４１の他端４１ｂの幅から第３接続部４５の一端４５ａの幅まで連続的に幅が変化するテーパ形状で形成されている。第２結合部４１の幅は、第１結合部３５を伝播する基本モードの光を、Ｎ−１次モードに変換して第２結合部４１に移行できるように最適化されている。そのため、第２結合部４１の幅は、必ずしもＮ−１次モードの光のモードフィールドがコア内に十分に強く閉じ込められるように最適化されていない。そこで、このテーパ形状の第２接続部４３を設けることによって、Ｎ−１次モードの光のモードフィールドに対応するようにコアの幅を変更する。従って、第２接続部４３の他端４３ｂの幅は、Ｎ−１次モードの光のモードフィールドがコア内に十分に強く閉じ込められるように設定される。

第３接続部４５は、マルチモード光導波路として構成されている。第３接続部４５は、少なくともＮ−１次モードまでの光を伝播させる幅で形成されている。第３接続部４５は、一端４５ａから他端４５ｂまで一定の幅で形成されている。この第３接続部４５を設けることによって、第２接続部４３から送られるＮ−１次モードの光のモードフィールドを確実にコア内に閉じ込めることができる。第３接続部４５は、一端４５ａ側で第２接続部４３と接続される。

ポート４７−１〜Ｎは、それぞれ同一形状及び同一寸法で形成されている。そして、ポート４７−１〜Ｎは、それぞれ一端４７ａ側で第３接続部４５と接続される。ポート４７−１〜Ｎは、第３接続部４５の他端４５ｂに沿って、互いに、並列にかつ離間して形成されている。ポート４７−１〜Ｎは、第３接続部４５を伝播するＮ−１次モードの光のピーク位置に対応して設けられる。Ｎ−１次モードの光のモードフィールドには、Ｎ個のピークが存在する。従って、これらピークと一対一対応する位置に、ポート４７−１〜Ｎが配置される。ここでは、ポート４７−１〜Ｎは、一端４７ａから他端４７ｂに向かうにつれて幅が連続的に縮小するテーパ形状で形成されている。ポート４７−１〜Ｎの幅は、少なくとも他端４７ｂにおいてシングルモード条件を満たすように設定される。

さらに、第１導波路コア３０と第２導波路コア４０とが互いに離間しかつ並んで配置された、結合領域５０が設定されている。

第１結合部３５は、結合領域５０に含まれる、第１導波路コア３０の領域として設定される。また、第２結合部４１は、結合領域５０に含まれる、第２導波路コア４０の領域として設定される。従って、第１結合部３５と第２結合部４１とは、互いに離間しかつ並んで配置されている。

結合領域５０では、第１結合部３５の一端３５ａと、第２結合部４１の一端４１ａとが同じ側に配置される。また、第１結合部３５の他端３５ｂと、第２結合部４１の他端４１ｂとが同じ側に配置される。従って、入出力部３１及び第１接続部３３と、第２接続部４３、第３接続部４５及びポート４７−１〜Ｎとは、結合領域５０を挟んで、互いに反対の側に配置されている。

上述したように、ここでは、第１結合部３５は、一端３５ａから他端３５ｂに向かうにつれて幅が連続的に縮小するテーパ形状で形成されている。従って、結合領域５０において、図２に示す光の伝播方向Ｒに沿って、第１結合部３５の幅が連続的に縮小する。なお、図２の構成例では、第１結合部３５の一端３５ａ及び第２結合部４１の一端４１ａの面位置が一致し、かつ第１結合部３５の他端３５ｂ及び第２結合部４１の他端４１ｂの面位置が一致するように設計されている。

結合領域５０では、第１結合部３５を伝播する基本モードの光と、第２結合部４１を伝播するＮ−１次モードの光とが結合される。

ここで、図３を参照して、結合領域５０の設計について説明する。図３は、第１結合部３５を伝播する光の伝播定数及び第２結合部４１を伝播する光の伝播定数と、伝播軸座標（結合領域５０の光伝播方向Ｒにおける座標）との関係を示す図である。図３では、縦軸に伝播定数を、また、横軸に伝播軸座標をそれぞれ任意単位でとって示している。ここでは、第１結合部３５の一端３５ａ及び第２結合部４１の一端４１ａ側の、結合領域５０の一端５０ａを伝播軸座標の０としている。また、第１結合部３５の他端３５ｂ及び第２結合部４１の他端４１ｂ側の、結合領域５０の他端５０ｂを伝播軸座標のＬとしている。なお、図３において、曲線Ｉは第１結合部３５を伝播する基本モードの光の伝播定数βａを示している。また、直線ＩＩは第２結合部４１を伝播するＮ−２次モードの光の伝播定数βｂを示している。また、直線ＩＩＩは第２結合部４１を伝播するＮ−１次モードの光の伝播定数βｃを示している。また、直線ＩＶは第２結合部４１を伝播するＮ次モードの光の伝播定数βｄを示している。

第１結合部３５では、結合領域５０の一端５０ａから他端５０ｂに向かって幅が狭まるに従い、基本モードの光の伝播定数が小さくなる。一方、第２結合部４１は一定幅であるので、結合領域５０におけるＮ−２次モードの光、Ｎ−１次モードの光及びＮ次モードの光の伝播定数は一定となる。そして、結合領域５０の一端５０ａから他端５０ｂの間において、第１結合部３５及び第２結合部４１には、第１結合部３５を伝播する基本モードの光の伝播定数と、第２結合部４１を伝播するＮ−１次モードの光の伝播定数とが一致する点Ａが含まれる。この伝播定数が一致する点Ａに対応する幅を、第１結合部３５及び第２結合部４１が含むことによって、第１結合部３５を伝播する基本モードの光と、第２結合部４１を伝播するＮ−１次モードの光とが結合される。

すなわち、第１結合部３５を伝播する基本モードの光の、結合領域５０の一端５０ａにおける伝播定数をβａ（０）、及び他端５０ｂにおける伝播定数をβａ（Ｌ）、並びに第２結合部４１を伝播するＮ−１モードの光の伝播定数をβｃとすると、βａ（０）＞βｃ＞βａ（Ｌ）の関係を満たすように、第１結合部３５の一端３５ａ及び他端３５ｂの幅を設定することで、第１結合部３５を伝播する基本モードの光と、第２結合部４１を伝播するＮ−１次モードの光とが結合される。

このように結合領域５０を設計することにより、結合領域５０において、第１結合部３５を伝播する基本モードの光が、Ｎ−１次モードに変換されて、第２結合部４１へ移行する。

さらに、この実施の形態では、第１結合部３５を伝播する基本モードの光の伝播定数と、第２結合部４１を伝播するＮ次モード及びＮ−２次モードの光の伝播定数とが一致しないように、第１結合部３５の一端３５ａ及び他端３５ｂの幅、並びに第２結合部４１の幅が設定される。従って、結合領域５０において、第１結合部３５を伝播する基本モードの光と、第２結合部４１を伝播するＮ次モード及びＮ−２次モードの光とは結合されない。なお、図３に示すように、モード次数が小さくなるに従って、伝播定数は大きくなる。従って、第１結合部３５を伝播する基本モードの光は、第２結合部４１を伝播するＮ次モード及びＮ−２次モードの光と結合されないのみでなく、Ｐ（Ｐは、Ｎ−１＜Ｐの自然数）次モード及びＱ（Ｑは、Ｎ−１＞Ｑの自然数）次モードとの光と結合されない。

すなわち、第２結合部４１を伝播するＮ−２次モードの光の伝播定数をβｂ、及びＮ次モードの光の伝播定数をβｄとすると、βｂ＞βａ（０）＞βｄ及びβｂ＞βａ（Ｌ）＞βｄの関係をともに満たすように、第１結合部３５の一端３５ａ及び他端３５ｂの幅を設定することで、第１結合部３５を伝播する基本モードの光と、第２結合部４１を伝播するＰ次モード及びＱ次モードの光との不所望な結合を防ぐことができる。

なお、この実施の形態では、第１結合部３５を一端３５ａから他端３５ｂに向かうにつれて幅が連続的に縮小するテーパ形状とし、かつ第２結合部４１を一定幅とする構成例について説明した。しかし、第１結合部３５及び第２結合部４１の形状はこれに限定されない。第１結合部３５及び第２結合部４１の形状は、第１結合部３５及び第２結合部４１が、第１結合部３５を伝播する基本モードの光の伝播定数と、第２結合部４１を伝播するＮ−１次モードの光の伝播定数とが一致する点を含み、かつ第１結合部３５を伝播する基本モードの光の伝播定数と、第２結合部４１を伝播するＰ次モード及びＱ次モードの光の伝播定数とが一致する点を含まない設計であればよい。例えば、第１結合部３５を、一端３５ａから他端３５ｂに向かうにつれて幅が連続的に拡大するテーパ形状とする構成や、第１結合部３５及び第２結合部４１の双方をテーパ形状とする構成等、第１結合部３５及び第２結合部４１の形状を適宜設定することができる。

次に、図４を参照して、第３接続部４５及びポート４７−１〜Ｎの設計について説明する。図４は、第３接続部４５及びポート４７−１〜Ｎを拡大して示す概略的平面図である。

Ｎ−１次モードの光Ｂのモードフィールドは、Ｎ個のピークを含んでいる。各ピークは、第３接続部４５の幅方向に等間隔で並んで存在する。そして、これらピークと一対一対応する位置に、ポート４７−１〜Ｎを配置することによって、第３接続部４５からポート４７−１〜Ｎへ伝播する光の損失を抑える。

第３接続部４５の幅Ｗ４は、Ｎ−１次モードの光Ｂのモードフィールドに対応して最適化される。従って、第３接続部４５は、Ｎ−１次モードの光Ｂのモードフィールドがコア内に閉じ込められ、かつ第３接続部４５の側面４５ｃ及び４５ｄにおいて光Ｂのモード振幅が０となるように境界条件を設計するのが好ましい。

そのため、隣り合うポート４７−１〜Ｎ間の離間距離Ｇ１を等間隔で配置する。さらに、光Ｂのモード振幅が、第３接続部４５の側面４５ｃ及び４５ｄにおいて０となる場合には、一方の側面４５ｃと、一方の側面４５ｃ側の最端に位置するポート４７−１との離間距離Ｇ２、及び他方の側面４５ｄと、他方の側面４５ｄ側の最端に位置するポート４７−Ｎとの離間距離Ｇ３を、ポート４７−１〜Ｎ間の離間距離Ｇ１の１／２とする。このように、ポート４７−１〜Ｎを配置することによって、光Ｂの各ピークとポート４７−１〜Ｎとを一対一対応させることができる。

従って、ポート４７−１〜Ｎの一端４７ａの幅Ｗ５、及び隣り合うポート４７−１〜Ｎ間の各離間距離Ｇ１を、下式（ａ１）の関係を満たすように設定することによって、第３接続部４５からポート４７−１〜Ｎへ伝播する光の損失を抑えることができる。

Ｗ５＝（Ｗ４−Ｎ・Ｇ１）／Ｎ・・・（ａ１）
ここで、上式（ａ１）に係る設計条件は、第３接続部４５の幅Ｗ４をＮ−１次モードの光Ｂのモードフィールドに対して最適化し、第３接続部４５の側面４５ｃ及び４５ｄにおいて光Ｂのモード振幅が０となる場合において有効である。

しかし、例えば製造プロセス上の制限により、ポート４７−１〜Ｎ間の離間距離Ｇ１を、任意に設定できない場合がある。その場合には、第３接続部４５の幅Ｗ４よりも、ポート４７−１〜Ｎ間の離間距離Ｇ１を優先的に設定する必要がある。そのため、第３接続部４５の幅Ｗ４をＮ−１次モードの光Ｂのモードフィールドに対して、確実に最適化できないことがある。その結果、光Ｂのモードフィールドが第３接続部４５の幅方向に漏れ出し、光Ｂの位相が０となる点が第３接続部４５の側面４５ｃ及び４５ｄの外側に存在することがある。

そこで、第３接続部４５からのモードフィールドの漏れ出しの程度に応じて、光Ｂの各ピークとポート４７−１〜Ｎとを一対一対応させるべく、設計条件を上式（ａ１）から適宜変更することが考えられる。第３接続部４５から光Ｂのモードフィールドが漏れ出す場合には、ポート４７−１〜Ｎの一端４７ａの幅Ｗ５、及び隣り合うポート４７−１〜Ｎ間の各離間距離Ｇ１を、例えば下式（ａ２）又は（ａ３）の関係を満たすように設定することができる。

Ｗ５＝｛Ｗ４−（Ｎ−０．５）・Ｇ１｝／Ｎ・・・（ａ２）
Ｗ５＝｛Ｗ４−（Ｎ−１）・Ｇ１｝／Ｎ・・・（ａ３）
上式（ａ２）を用いる場合には、一方の側面４５ｃと、一方の側面４５ｃ側の最端に位置するポート４７−１との離間距離Ｇ２、及び他方の側面４５ｄと、他方の側面４５ｄ側の最端に位置するポート４７−Ｎとの離間距離Ｇ３を、ポート４７−１〜Ｎ間の離間距離Ｇ１の１／４とする。

また、上式（ａ３）を用いる場合には、一方の側面４５ｃと、一方の側面４５ｃ側の最端に位置するポート４７−１との離間距離Ｇ２、及び他方の側面４５ｄと、他方の側面４５ｄ側の最端に位置するポート４７−Ｎとの離間距離Ｇ３を０とする。すなわち、最端に位置するポート４７−１及び４７−Ｎの外端を、それぞれ側面４５ｃ及び４５ｄと一致させる。

このように、製造プロセス等を考慮して、第３接続部４５の幅Ｗ４、ポート４７−１〜Ｎの一端４７ａの幅Ｗ５、及び隣り合うポート４７−１〜Ｎ間の各離間距離Ｇ１を適宜設定することによって、第３接続部４５からポート４７−１〜Ｎへ伝播する光の損失を抑えることができる。

以上に説明したように、基本モードの光を、Ｎ−１次モードに変換することにより、Ｎ−１次モードが有するピークの数（Ｎ個）に対応する、複数のポート４７へ分岐することができる。従って、Ｎ−１次モードのモードフィールドに対応した幅を利用して、複数のポート４７を設けることができる。そのため、製造プロセス上の制限を受けにくく、また、製造誤差の影響も受けにくい。

また、製造プロセス上の制限を受ける場合であっても、第３接続部４５の幅Ｗ４、隣り合うポート４７間の各離間距離Ｇ１、及びポート４７の一端４７ａの幅Ｗ５を適宜設定することによって、ポート４７での損失を抑えられる。

また、第１結合部３５及び第２結合部４１の一方又は双方を、適宜テーパ形状とすることによって、作成誤差に対する製造トレランスを確保しつつ、第１結合部３５及び第２結合部４１間で光を結合することができる。さらに、テーパ形状の第１接続部３３及び第２接続部４３を設けること、又はポート４７をテーパ形状とすることによっても、作成誤差に対する製造トレランスを確保できる。

なお、例えば、Ｎ−１次モードのモード次数が小さい場合には、第１結合部３５及び第２結合部４１間の結合条件として第２結合部４１に設定された幅であっても、Ｎ−１次モードのモードフィールドをコア内に十分に閉じ込められることがある。その場合には、第２接続部４３を省略することもできる。また、第２接続部４３の長さを十分に確保できる場合には、第３接続部４５を設けなくても、モードフィールドを安定化することができる。その場合には、第３接続部４５を省略することができる。

第３接続部４５を省略する場合には、第２接続部４３の他端４３ｂにポート４７が接続される。その場合には、ポート４７は、上述の式（ａ１）〜（ａ３）に係る設計条件において、第２接続部４３の他端４３ｂの幅Ｗ４を利用して設計される。また、第２接続部４３及び第３接続部４５をともに省略する場合には、第２結合部４１の他端４１ｂにポート４７が接続される。その場合には、ポート４７は、式（ａ１）〜（ａ３）に係る設計条件において、第３接続部４５の幅Ｗ４に替えて、第２結合部４１の幅Ｗ３を利用して設計される。

以上説明した構成により、第１導波路コア３０を伝播する光信号は、第２導波路コア４０を経て、光パワーが等しくＮ分岐され各々チャネル導波路６２−１〜Ｎを伝播する。結合領域５０においては光パワーをＮ等分岐するため、第１導波路コア３０を伝播する基本モードが、第２導波路コア４０の第２結合部４１でＮ-１次モードへと変換され、第２接続部４３に入力される。Ｎ−１次モードはテーパ形状を有する第２接続部４３を伝播中、モード次数を変えることなく、導波路コア幅の拡大に応じてモードフィールドをコア幅方向へと拡げる。Ｎ−１次モードはモードピークをＮ個有しており、ポート４７−１〜ＮはＮ−１次モードフィールドのそれぞれのピーク位置に対応して配置される。つまり、従来のＡＷＧにおいて主たる損失要因となっていたスターカプラとアレイ導波路との接続部分において、マルチモード光導波路として構成される第３接続部４５を伝播するＮ−１次モードの光を、ポート４７−１〜Ｎに対して基本モードで展開することで、相互モードミスマッチングを低減し、低損失なＡＷＧを実現可能としている。ここでＮの値は、２以上であればよいが、Ｎが大きくなると波長分離能力が高まる。このため、Ｎの値は、好ましくは１６以上の整数とする。

なお、ポート４７−１〜Ｎにおいては、隣接するポート４７間で位相がπずつずれている。これはＮ−１次モードフィールドの形状が隣り合うモードピーク間で反転していることに起因する。そのため、隣接するポート間で生じる初期位相差πを補償する構造を第２導波路コア４０とアレイ導波路コア６０との間に挿入することが好ましい。

光波長フィルタとしての利用を考えると、位相補償構造には使用する波長帯域において可能な限りフラットな特性が求められる。また、ＡＷＧのアレイ導波路の配線レイアウトを考える上で位相補償構造の長さは隣接するアーム間で揃えるとよい。

図５を参照して、隣接するポート間で生じる初期位相差πを補償する位相補償構造について説明する。図５は、位相補償構造の概略図である。

位相補償構造は、交互に配置された第１アーム４１０及び第２アーム４３０を備えて構成される。

第１アーム４１０は、第１テーパ４２２、第１等幅導波路４１２、第２テーパ４２４、第２等幅導波路４１４、第３テーパ４２６及び第４テーパ４２８がこの順に接続されて構成される。また、第２アーム４３０は、第１テーパ４４２、第２テーパ４４４、第３テーパ４４６、第３等幅導波路４３６、及び第４テーパ４４８がこの順に接続されて構成される。

第１〜３等幅導波路４１２、４１４及び４３６は、互いに異なる導波路コア幅寸法を有している。

第１テーパ４２２及び４４２は、一端の幅がポートの幅に等しく、他端の幅が第１等幅導波路４１２の幅に等しい。第２テーパ４２４及び４４４は、一端の幅が第１等幅導波路４１２の幅に等しく、他端の幅が第２等幅導波路４１４の幅に等しい。第３テーパ４２６及び４４６は、一端の幅が第２等幅導波路４１４に等しく、他端の幅が第３等幅導波路４３６の幅に等しい。第４テーパ４２８及び４４８は、一端の幅が第３等幅導波路４３６の幅に等しく、他端の幅が、チャネル導波路コア６２の幅に等しい。

上述の構成により、ポート４７と、チャネル導波路コア６２との間は、断熱的にコア幅寸法が変換される。

第１アーム４１０が備える第１〜４テーパ４２２、４２４、４２６及び４２８と、第２アーム４３０が備える第１〜４テーパ４４２、４４４、４４６及び４４８とは、それぞれ経路長が等しい。また、第１等幅導波路４１２と第２等幅導波路４１４との経路長の総和は、第３等幅導波路４３６の経路長に一致している。このため、第１アーム４１０の経路長と、第２アーム４３０の経路長とは、等しい。

第１アーム４１０が備える第１〜４テーパ４２２、４２４、４２６及び４２８と、第２アーム４３０が備える第１〜４テーパ４４２、４４４、４４６及び４４８とは、それぞれ同じ形状及び大きさである。このため、これらテーパにおける位相差は隣接するアーム間でキャンセルされる。

位相補償構造が隣接するポート４７間で生じる位相差πを位相補償するための条件式について説明する。

第１等幅導波路４１２、第２等幅導波路４１４および第３等幅導波路４３６を伝播する基本モードに対する等価屈折率をそれぞれＮ_ａ，Ｎ_ｂ及びＮ_ｃとする。また、第１等幅導波路４１２、第２等幅導波路４１４および第３等幅導波路４３６の伝播方向長さをそれぞれ、Ｌ_ａ、Ｌ_ｂ及びＬ_ｃとする。

隣接アーム間で位相差πを補償するための条件として、以下の式（ｂ１）が与えられる。

ここでｋは整数である。

また、第１等幅導波路４１２と第２等幅導波路４１４との経路長の総和は、第３等幅導波路４３６の経路長に一致しているので、以下の式（ｂ２）が与えられる。

さらに、光波長フィルタとして用いる際、位相補償特性は波長変動に対して依存性が少ないことが好ましい。そこで、式（ｂ１）の両辺を偏微分すると、以下の式（ｂ３）が与えられる。

ここで、群屈折率Ｎ_ｇを、以下の式（ｂ４）で与える。

このＮ_ｇを式（ｂ３）に代入すると、以下の式（ｂ５）が得られる。

式（ｂ２）と式（ｂ５）から、Ｌｃを消去すると以下の式（ｂ６）が得られる。

また、式（ｂ６）と式（ｂ２）を式（ｂ１）に代入すると、以下の式（ｂ７）が得られる。

式（ｂ７）を変形すると、以下の式（ｂ８）が得られる。

この結果、Ｌ_ｂが一意に求められ、さらに、式（ｂ２）及び（ｂ６）から、Ｌ_ａ及びＬ_ｃも一意に求められる。

以上のように、位相補償構造として第１アーム４１０と第２アーム４３０とを設定することにより、隣接するポート間で生じる初期位相差πを補償することができ、位相補償構造から後段の各チャネル導波路コアにはそれぞれ等光パワーかつ等位相の光信号が入力するとして扱うことが可能となる。

なお、第１導波路コア、第２導波路コア及び位相補償構造で構成される光導波路素子は、基本モードの光が入力されると、等光パワーかつ等位相の光分岐素子として機能する。

（光波長フィルタの特性）
本発明の一例として、Ｎ＝１６とした場合の光波長フィルタの特性について説明する。基本構造となる光導波路の母材として、一般的に入手が容易であるＳＯＩ基板を採用した。即ち支持基板及び導波路コアはシリコン、クラッドはシリコン酸化膜で構成される。解析波長は１．６μｍを中心として、電界の振動方向が基板平面に平行でかつ光の伝播方向と直交する方向となるＴＥ（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＥｌｅｃｔｒｉｃ）モードについて説明する。ＳＯＩ層の厚さに対応する導波路コアの厚みは２００ｎｍとした。

設計パラメータとして、第１結合部３５の第１接続部３３との接続点を始点とした導波路コア幅Ｗ１は、０．３０５μｍであり、終端に向かうにつれてＷ２（＝０．２７５μｍ）まで単調減少する。また、第１結合部３５と中心間隔３．４９５μｍだけ離れて並行に配置される第２結合部４１の導波路コア幅Ｗ３は５．８μｍであり、結合領域５０の伝播方向の長さは５０μｍである。

図６に設計した光波長フィルタのポート４７におけるＦＤＴＤ（ＦｉｎｉｔｅＤｉｆｆｅｅｒｅｎｔｉａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎ）計算スペクトルを示す。Ｎ＝１６の場合、全てのポートにおいて入力パワに対し−１２ｄＢで出力されるのが理想の特性である。設計した光波長フィルタでは全てのポートで−１１〜−１５ｄＢの透過特性が波長帯域３０ｎｍにわたって得られる良好な結果となった。また、全ポートの出力の和をとると−０．５５ｄＢが過剰損失となり、従来のＡＷＧにおけるスターカプラに比べて、各チャネル導波路コアへの光パワーの移行が低損失で可能となる。

位相補償構造の設計に関しては、始めに第１等幅導波路４１２、第２等幅導波路４１４及び第３等幅導波路４３６の各導波路コア幅寸法を適当に決め、有限要素法（ＦＥＭ：ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ）で求めた各等幅導波路４１２、４１４及び４３６の基本モード等価屈折率を式（ｂ４）、（ｂ５）、（ｂ２）に用いると、各等幅導波路の長さの関係が一意に決定される。

例として、第１〜第３等幅導波路の導波路コア幅寸法をそれぞれ０．４、１．４、０．８μｍと設定し、各等幅導波路の伝播方向長さをＬ_ａ＝１０．１７５μｍ、Ｌ_ｂ＝３６．７０９μｍ、及び、Ｌ_ｃ＝４６．８８４μｍとしたときの、位相補償構造における第１アームと第２アームとの位相関係の波長特性を図７に示す。波長範囲は１．６μｍを中心として３０ｎｍの範囲としている。図７に示されるように、この波長域にわたり第１アームと第２アームとの位相関係がπ＝３．１４…であり、広い波長域で隣接するポート間での位相差πを補償することが可能であることが示唆される。

最後に、この光波長フィルタの解析波長応答特性を図８に示す。第１導波路コア３０、第２導波路コア４０及び位相補償構造の設計パラメータとして前述の値を参照し、波長グリッドが０．８ｎｍとなるようにアレイ導波路半径＝５００μｍ、出力導波路半径＝５００μｍ、隣接するアレイ導波路経路長の差＝８０．０７４μｍとした。スターカプラと接続される側のアレイ導波路コア間隔はスターカプラ接続部において５μｍとしている。また、ここでは、Ｍ＝８としている。曲線Ｉが、第１合分波入出力部からの出力を示し、曲線ＩＩが第２合分波入出力部の出力を示し、以下同様に、曲線ＶＩＩＩが、第８合分波入出力部の出力を示している。

図８から、過剰損失−１．５〜−２．５ｄＢ程度と低損失で、従来のＡＷＧと遜色のない波長応答特性が得られることが分かる。

なお、ここでは、Ｎ＝１６とした場合について説明した。Ｎを８以下にすると、各合分波入出力部からの出力スペクトルが幅を持つため、隣接する合分波入出力部間での十分な消光比の確保が難しくなる。しかし、波長間隔を広くとれば、光波長フィルタとして用いることはできる。

また、ここでは、１つの導波路に重畳された、それぞれ異なる波長が割り当てられたＭ個（Ｍは２以上の整数）の信号を、Ｍ本の導波路に分岐する波長分波フィルタとしての構成を説明したが、合分波入出力部側から光を入力すれば、Ｍ本の導波路にそれぞれ異なる波長が割り当てられて伝播するＭ個の信号を、１本の導波路に集約するのに用いられる、波長合波フィルタとしても機能しうる。

３０第１導波路コア
３１入出力部
３３第１接続部
３５第１結合部
４０第２導波路コア
４１第２結合部
４３第２接続部
４５第３接続部
４７ポート
５０結合領域
６０アレイ導波路コア
６２チャネル導波路コア
７０スターカプラ
８０合分波入出力部
４１０第１アーム
４１２第１等幅導波路
４１４第２等幅導波路
４２２、４４２第１テーパ
４２４、４４４第２テーパ
４２６、４４６第３テーパ
４２８、４４８第４テーパ
４３０第２アーム
４３６第３等幅導波路

Claims

第１結合部を有する第１導波路コアと、
第２結合部、及び、該第２結合部に並列に接続されたＮ（Ｎは、Ｎ≧２の自然数）個のポートを有する第２導波路コアと、
異なる光路長を有するＮ本のチャネル導波路コアを含むアレイ導波路コアと、
スターカプラと、
合分波入出力部と、
前記Ｎ個のポートと、前記Ｎ本のチャネル導波路コアとを一対一に接続する、Ｎ本の位相補償アームを含む位相補償部と
を備え、
前記第１結合部と前記第２結合部とが互いに離間しかつ並んで配置された、結合領域が設定されており、
前記結合領域において、前記第１結合部及び前記第２結合部は、前記第１結合部を伝播する基本モードの光の伝播定数と、前記第２結合部を伝播するＮ−１次モードの光の伝播定数とが一致する幅をそれぞれ含み、
前記ポートは、Ｎ−１次モードの光のモードフィールドが有するＮ個のピークと一対一対応する位置に配置され、
前記チャネル導波路コアが、前記ポートに一対一に接続され、
前記アレイ導波路コア、前記スターカプラ及び前記合分波入出力部がこの順に接続されており、
前記位相補償アームとして、第１アームと第２アームとが交互に配置され、
前記第１アームを伝播する光と、前記第２アームを伝播する光との間に、位相差πを与え、
前記第１アームは第１等幅導波路と第２等幅導波路とを備え、
前記第２アームは第３等幅導波路を備え、
前記第１等幅導波路、第２等幅導波路及び第３等幅導波路は、それぞれ異なる導波路コア幅寸法を有し、前記第１等幅導波路と前記第２等幅導波路の経路長の和は、第３等幅導波路の経路長に一致しており、
前記第１等幅導波路、第２等幅導波路及び前記第３等幅導波路を伝搬する基本モードに対する等価屈折率をそれぞれＮ _ａ，Ｎ _ｂ及びＮ _ｃとし、前記第１等幅導波路、第２等幅導波路及び前記第３等幅導波路の伝搬方向長さをそれぞれ、Ｌ _ａ、Ｌ _ｂ及びＬ _ｃとすると、
下記の式（１）、（２）及び（３）を満たす
ことを特徴とするアレイ導波路回折格子型光波長フィルタ。
前記第２結合部と、前記ポートとの間に、前記第２結合部の幅からＮ−１次モードの光のモードフィールドに対応する幅まで、連続的に幅が変化する接続部をさらに備える
ことを特徴とする請求項１に記載のアレイ導波路回折格子型光波長フィルタ。