JP6491593B2 - 平面光波回路 - Google Patents

Description

本発明は、平面光波回路に関し、より詳細には、ＳＢＴを使用した平面光波回路に関するする。

石英系平面光回路（ＰＬＣ： Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）技術は、その機能性・安定性・量産性の良さから、今日光ネットワークの随所で用いられている。昨今では、従来は空間光学をベースにして作られていた波長選択スイッチ（ＷＳＳ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｗｉｔｃｈ）のような光信号処理装置においても、その一部にＰＬＣを活用する研究開発が行われている。

ＷＳＳに使用するＰＬＣの一つに、ＳＢＴ（Ｓｐａｔｉａｌ Ｂｅａｍ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）がある（例えば非特許文献１参照）。図１は、ＷＳＳに使用される従来のＳＢＴを使用した平面光波回路を示す回路図である。図１の平面光波回路１００は、光導波路基板１０１上に、入力導波路１０２と、入力導波路１０２に接続された第１のスラブ導波路１０３と、第１のスラブ導波路１０３に接続されたアレイ導波路１０４とを備える。ここで、アレイ導波路１０４の第１のスラブ導波路１０３側の端を始端部１０４ａ、端部側を終端部１０４ｂとする。また、アレイ導波路は終端部１０４ｂにおいて第２のスラブ導波路１０５ａに接続されている。

入力導波路１０２に入力された光は、第１のスラブ導波路１０３で拡散し、アレイ導波路１０４の始端部１０４ａに分配・入射される。入力導波路１０２、第１のスラブ導波路１０３、始端部１０４ａはスターカプラと呼ばれる分岐回路を構成する。光はアレイ導波路１０４の終端部１０４ｂに達し、自由伝搬領域である第２のスラブ導波路１０５ａに向けて射出され、光導波路基板１０１の端部から外へ伝搬する。このとき、アレイ導波路１０４のそれぞれの導波路を通った光同士が干渉し、一つのビームとして伝搬する。

ＳＢＴは、波長合分波器として知られるアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）において、アレイ導波路の長さを等長とし、波長依存性を無くしたものと見ることができる。

ＳＢＴにおいて異なる入力導波路から入力された光は、出射端面から異なる角度で伝播する。また逆に、異なる角度で伝搬してきた光を異なる導波路から取り出すことができる。すなわち、ＳＢＴは、光の入射位置と光の入射角度を相互に変換するレンズ機能を有するといえる。また、極めて高いアスペクト比のビームを作り出せる利点がある。このようなことから、ＳＢＴは光学系の簡素化、高機能化に貢献する素子ということができる。

特開２００１−１５９７１８号公報 特開２０１２−１３３２２３号公報

K. Seno, K. Suzuki, N. Ooba, T. Watanabe, M. Itoh, T. Sakamoto, and T. Takahashi, "Spatial beam transformer for wavelength selective switch consisting of silica-based planar lightwave circuit," in Proc. OFC2012, paper JTh2A.5.

上記ＳＢＴにおいては導波路を伝搬してきた光の干渉光であるから、基本光（０次光）の他に高次光（ｎ次光：ｎは１以上の整数）が発生する。この高次光は、通常は積極的に用いられることはない。逆に、光学系を迷光として伝搬し、光学特性に悪影響を与える場合がある。したがって、適切な位置で遮蔽あるいは反射させて影響のない領域に逃がすなどの対策が必要である。

高次光は、アレイ導波路１０４の終端部１０４ｂを出射する光の電界分布が、導波路形状を反映して離散的な形状になっていることに起因する。したがって、終端部１０４ｂにおいて、それぞれのアレイ導波路を伝搬してきた光同士を、段階的に屈折率が変わる構造などを利用して、出射光を滑らかな電界分布にすることにより、高次光を低減することができる（特許文献１及び２参照）。しかし、この方法では、高次光を完全に消すことは困難である。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、アレイ導波路の終端部の間隔を不等間隔にすることによって、ＳＢＴにおいて発生した高次光を拡散させ、特定の方向に伝搬しないようにすることを発案した。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、光導波路基板と、前記光導波路基板上に形成された、少なくとも１つの入力導波路と、前記光導波路基板上に形成され、前記入力導波路に接続されたスラブ導波路と、前記光導波路基板上に形成され、前記スラブ導波路に接続されたアレイ導波路とを備え、前記アレイ導波路の前記光導波路基板端面の終端部から自由空間に向かって光ビームを出射する平面光波回路であって、前記アレイ導波路の、前記光ビームの出射する端部における隣接導波路間隔が不等間隔であることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様の平面光波回路であって、前記アレイ導波路の、前記スラブ導波路と接続される側の端における間隔は、対応する前記光ビームの出射の前記端部における隣接導波路間隔と略相似の関係にあることを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様の平面光波回路であって、全ての前記アレイ導波路の前記光ビームの出射の前記端部付近に垂直な軸ｘに対して、前記アレイ導波路の片端からｉ番目とｉ＋１番目の間隔をｘ（ｉ）とすると、ｘ（ｉ）はｉについての周期関数であらわされることを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第１又は第２の態様の平面光波回路であって、全ての前記アレイ導波路の前記光ビームの出射の前記端部付近に垂直な軸ｘに対して、前記アレイ導波路の片端からｉ番目とｉ＋１番目の間隔をｘ（ｉ）とすると、ｘ（ｉ）はｉについての多項式であらわされることを特徴とする。

また、本発明の第５の態様は、第１又は第２の態様の平面光波回路であって、全ての前記アレイ導波路の前記光ビームの出射の前記端部付近に垂直な軸ｘに対して、前記アレイ導波路の片端からｉ番目とｉ＋１番目の間隔をｘ（ｉ）とすると、ｘ（ｉ）はｉについての周期関数と多項式との線形結合であらわされることを特徴とする。

本発明によれば、アレイ導波路の終端部の間隔を不等間隔にすることによって、ＳＢＴにおいて発生した高次光を拡散させ、特定の方向に伝搬しないようにして、平面光波回路から出射される光の高次光を削減する。

ＷＳＳに使用される従来のＳＢＴを使用した平面光波回路を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態に係るＳＢＴを使用した平面光波回路を示す上面図である。 本発明の第１の実施形態に係るＳＢＴを使用した平面光波回路の変形例を示す上面図である。 従来の平面光波回路の出射端面と、出射端面における遠視野像とを模式的に示した図で、ａ）は、図１の平面光波回路の出射端面の上面図であり、（ｂ）は、出射端面における遠視野像を示す図である。 本実施形態の平面光波回路２００の出射端面と、出射端面における遠視野像とを模式的に示した図で、（ａ）は、図２の平面光波回路の出射端面の上面図であり、（ｂ）は、出射端面における遠視野像を示す図である。 ＳＢＴを使用した平面光波回路における導波路間隔の３つの例と、高次光強度との関係を示す図で、（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ導波路間隔の３つの例を示し、図６（Ａ）〜（Ｃ）は、図６（ａ）〜（ｃ）のそれぞれに対応する高次光ピークを示す図である。 図１及び図２の平面光波回路の終端部のそれぞれの導波路間隔についてのΔｘ及び０次光及び高次光の光強度を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す平面光波回路を示す上面図であり、（ａ）は平面光波回路のアレイ導波路の始端部を示し、（ｂ）は平面光波回路のアレイ導波路の終端部を示している。 本発明の第１の実施形態又は第２の実施形態のアレイ導波路の変形例を示す上面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図２は、本発明の第１の実施形態に係るＳＢＴを使用した平面光波回路を示す上面図である。また、図３は、本発明の第１の実施形態に係るＳＢＴを使用した平面光波回路の変形例を示す上面図である。図２の平面光波回路２００は、光導波路基板２０１上に、入力導波路２０２と、入力導波路２０２に接続された第１のスラブ導波路２０３と、第１のスラブ導波路２０３に接続されたアレイ導波路２０４とを備える。ここで、アレイ導波路２０４の第１のスラブ導波路２０３側の端を始端部２０４ａ、端部側を終端部２０４ｂとする。また、アレイ導波路は終端部２０４ｂにおいて第２のスラブ導波路２０５ａに接続されている。また、図２のようにアレイ導波路の終端部２０４ｂに第２のスラブ導波路２０５ａを設けずに、図３の平面光波回路３００のように光導波路基板３０１の端部から外の空気部分３０５ｂを自由伝搬領域とみなしてもよい。

入力導波路２０２に入力された光は、第１のスラブ導波路２０３で拡散し、アレイ導波路２０４の始端部２０４ａに分配・入射される。入力導波路２０２、第１のスラブ導波路２０３、始端部２０４ａはスターカプラと呼ばれる分岐回路を構成する。光はアレイ導波路２０４の終端部２０４ｂに達し、自由伝搬領域である第２のスラブ導波路２０５ａに向けて射出され、光導波路基板２０１の端部から外へ伝搬する。このとき、アレイ導波路２０４のそれぞれの導波路を通った光同士が干渉し、一つのビームとして伝搬する。

以下、本実施形態の平面光波回路２００について、従来型のＳＢＴ（１００：図１）と形状を比較しながら，本実施形態の有効性を説明する。

本実施形態の平面光波回路２００の構成要素は、図１の従来の平面光波回路１００と同じであるが、本実施形態においては、アレイ導波路２０４の終端部２０４ｂにおいて隣接導波路間の導波路間隔が一定ではなく、不等間隔である点が異なる。

図４は、従来の平面光波回路１００の出射端面と、出射端面における遠視野像とを模式的に示した図である。ここで、図４（ａ）は、平面光波回路１００の出射端面の上面図であり、図４（ｂ）は、出射端面における遠視野像を示す図である。図４（ａ）において、アレイ導波路１０４に１〜Ｎまでｘ軸上の位置が大きい側から番号をつけ、ｉ番目の導波路とｉ＋１番目の導波路との間隔をｄｉとする。アレイ導波路１０４から出射するそれぞれの光の位相がすべて等しいとした場合、隣り合う２つの導波路について考えれば、よく知られるように、式（１）を満たす角度θｉで、ｉ番目の導波路とｉ＋１番目の導波路との光の位相が一致し、その位相面に垂直な方向に光が伝搬する。図４（ａ）における破線の長さは（１）の左辺に等しく、高次光の伝搬方向は、図４（ａ）の破線の向きと同じである。
ｄｉ・ｓｉｎ（θｉ）＝ｍλ （１）

ここで、ｍは任意の整数（回折次数）、ｄｉはアレイ導波路の導波路間隔、λは出射光の波長である。ｍが０の場合を、主光線又は基本光（０次光）と呼び、０度方向（ｚ軸方向）へ出射する。また、ｍが０でない場合の光を高次光と呼ぶ。

従来の平面光波回路１００においては、ｄｉはｉによらず一定であるから、高次光は、アレイ導波路１０４のｘ軸上の全ての出射位置から同じ方向に向かって出射する。したがって、波長で決まる一定の角度に高いエネルギーが集中し、図４（ｂ）の遠視野像に示すように、高次光ピーク４０１が観測されることになる。

図５は、本実施形態の平面光波回路２００の出射端面と、出射端面における遠視野像とを模式的に示した図である。ここで、図５（ａ）は、平面光波回路２００の出射端面の上面図であり、図５（ｂ）は、出射端面における遠視野像を示す図である。

本実施形態においては、ｍが０の場合（主光線）は、やはりｘ軸上のどの位置からも０度方向（Ｚ軸方向）に出射することになる（図５（ｂ））。一方、高次光については、隣接導波路間隔を不等間隔とすることによりｄｉがｉごとに異なる値を持つ様になるため、ｘ軸上の位置によって、光の伝播角度は異なることになる。図５（ａ）においても、破線の長さは全て（１）の左辺に等しく、破線の向いた方向へ高次光が伝搬する。その結果、高次光のエネルギーは特定の角度に集中せず、広く散らばることになる。したがって、高次光ピーク強度を抑制できる。

高次光を低減する導波路間隔の設計について、以下に示す。

図６は、ＳＢＴを使用した平面光波回路における導波路間隔の３つの例と、高次光強度との関係を示す図である。図６（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ導波路間隔の３つの例を示し、図６（Ａ）〜（Ｃ）は、図６（ａ）〜（ｃ）のそれぞれに対応する高次高ピークを示す図である。以降、ｉ番目とｉ＋１番目の導波路の間隔ｄｉをΔｘ（ｉ）とする。

高次光がピークとなる位置は、遠方では図６（Ａ）〜（Ｃ）のようにフーリエ変換により表される。従来型の平面光波回路１００の等ピッチな終端部１０４ｂは、一定の導波路間隔ｄを持つコム（ｃｏｍｂ）関数で表現でき、これをｇ（ｘ）で表す（図６（ａ））。ｇ（ｘ）のフーリエ変換はやはりコム関数となるが、高次光と０次光のピッチＤはｄの逆数に比例することになる。これをＦ［ｇ］で表す（図６（Ａ））。これが、問題の高次光の位置を表している。

次に、隣接導波路間隔の不等間隔を実現するために、アレイ導波路の外に行くにしたがって離れるよう、終端部２０４（ｂ）をｇ’（ｘ）のような分布にすることが、本実施形態の一方法としてあげられる。この場合、フーリエ変換Ｆ［ｇ’］は図６（Ｂ）のように、高次光の位置が分裂する。このときΔｘ（ｉ）は多項式で表現される。

また、本実施形態における別の方法として、高次光を散らしてピーク強度を下げるという方法がある。この場合、Ｆ［ｇ］がたくさんピークを持つようにしてやればよい。このための方策の１つを図６（ｃ）に示す。すなわち、ただ１つの周期ｄを持つｇに別の周期をもつ変位を与えてｇ’’（ｘ）とする。このようにすれば、無線通信などで搬送波の周りに側帯波のスペクトルが現れることと同じ原理で、Ｆ［ｇ’’］はＦ［ｇ］よりもたくさんのピークを有する様になる。このとき、Δｘ（ｉ）は、周期関数で表現される。

以上の考え方をもとに、計算例を示す。図７は、図１及び図２の平面光波回路の終端部のそれぞれの導波路間隔についてのΔｘ及び０次光及び高次光の光強度を示す図である。ここで、図７（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態におけるΔｘを示し、図７（Ａ）〜（Ｃ）は、図７（ａ）〜（ｃ）のΔｘに対応する光強度を示し、図７（Ｄ）は、図１の平面光波回路における光強度を示す。

図７（Ｄ）は、等ピッチの終端部１０４ｂ（アレイ導波路本数：６０本、出力ビーム径：約３５０μｍ）の出力光の強度を計算し、角度に対してプロットしたものである。高次光ピーク強度は主光線のそれに比べて−１４．７ｄＢであった。

これに対し、図７（ａ）のように、Δｘ（ｉ）をｉの２次関数形状にすると、図７（Ａ）に示すように、高次光強度を下げることができた。このときの主光線に対する高次光強度は−１９．５ｄＢであり、４．８ｄＢの高次光低減効果が確認できた。これは図６（ｂ）において説明した方法に対応する。また、図７（ｂ）のように、Δｘ（ｉ）を周期関数形状にすると、図７（Ｂ）に示すように、高次光強度を下げることができた。このときの主光線に対する高次光強度は−１８．６ｄＢであり、３．９ｄＢの高次光低減効果が確認できた。これは図６（ｃ）で説明した方法に対応する。また、図７（ｃ）のように、Δｘ（ｉ）を周期関数と２次関数の線形結合にすると、図７（Ｃ）に示すように、高次光強度を下げることができた。このときの主光線に対する高次光強度は−２２．２ｄＢであり、７．５ｄＢの高次光低減効果が確認できた。これは図６（ｂ）の方法と図６（ｃ）の方法の組み合わせである。

［第２の実施形態］
図８は、本発明の第２の実施形態を示す平面光波回路８００を示す上面図であり、図８（ａ）は平面光波回路８００のアレイ導波路の始端部を示し、図８（ｂ）は平面光波回路８００のアレイ導波路の終端部を示している。本実施形態では、アレイ導波路８０４の終端部８０４ｂだけでなく、始端部８０４ａも不等間隔で接続される。

第１のスラブ導波路８０３を伝搬して始端部８０４ａに結合する直前の光はガウス関数形状になっている。第１の実施形態においては、始端部８０４ａに結合する直前の光を等間隔に並べられた始端部８０４ａで各導波路に結合させ、不等ピッチで並べられた終端部８０４ｂで出力するため、その位置の違いにより、出力ビームの電界分布に歪みが生じるという副作用がある。精密なビーム形状が求められる場合には、これが問題となる可能性がある。

本実施形態では、図８に示すように、第１の実施形態におけるアレイ導波路２０４の終端部２０４ｂの不等ピッチの分布と相似な導波路配置で始端部８０４ａを設けることで、始端部８０４ａに結合する直前の（第１のスラブ導波路８０３内の、始端部８０４ａ近傍における）電界分布を崩さずに、ビームを出力することが可能になる。

［変形例］
損失を低減したりするなどの目的のため、図９の第１の実施形態又は第２の実施形態のアレイ導波路の変形例に示したように、図２のアレイ導波路２０４において、終端部２０４ｂにテーパ導波路などを用いることもできる。

本発明は、光通信分野において用いられる平面光波回路に適用する。

１００、２００、８００ 平面光波回路
１０１、２０１ 光導波路基板
１０２、２０２ 入力導波路
１０３、１０５ａ、２０３、２０５ａ、８０３ スラブ導波路
１０４、２０４、８０４ アレイ導波路
１０４ａ、２０４ａ、８０４ａ 始端部
１０４ｂ、２０４ｂ、８０４ｂ 終端部
２０５ｂ 自由空間

Claims (5)

1. 光導波路基板と、
   前記光導波路基板上に形成された、少なくとも１つの入力導波路と、
   前記光導波路基板上に形成され、一方の端が前記入力導波路に接続され他方の端がアレイ導波路に接続されたスラブ導波路と、
   前記光導波路基板上に形成され、始端部が前記スラブ導波路に接続され終端部が自由伝搬領域に接続されている複数の導波路を備える前記アレイ導波路と
   を備え、前記光導波路基板の端面において、前記アレイ導波路の前記複数の導波路の前記終端部から前記自由伝搬領域に向かって光ビームを出射する平面光波回路であって、
   前記アレイ導波路の前記複数の導波路の前記終端部における隣接導波路間隔が不等間隔であり、前記スラブ導波路から前記アレイ導波路に入射した前記光ビームが前記アレイ導波路の前記複数の導波路のそれぞれに入射することを特徴とする平面光波回路。
2. 前記アレイ導波路の、前記複数の導波路の前記始端部における隣接導波路間隔は、対応する前記複数の導波路の前記終端部における隣接導波路間隔と略相似の関係にあることを特徴とする請求項１に記載の平面光波回路。
3. 全ての前記アレイ導波路の前記複数の導波路の前記終端部における隣接導波路間隔に対して、前記アレイ導波路の片端からｉ番目とｉ＋１番目の間隔をｘ（ｉ）とすると、ｘ（ｉ）はｉについての周期関数であらわされることを特徴とする請求項１又は２に記載の平面光波回路。
4. 全ての前記アレイ導波路の前記複数の導波路の前記終端部における隣接導波路間隔に対して、前記アレイ導波路の片端からｉ番目とｉ＋１番目の前記隣接導波路間隔をｘ（ｉ）とすると、ｘ（ｉ）はｉについての多項式であらわされることを特徴とする請求項１又は２に記載の平面光波回路。
5. 全ての前記アレイ導波路の前記複数の導波路の前記終端部における隣接導波路間隔に対して、前記アレイ導波路の片端からｉ番目とｉ＋１番目の前記隣接導波路間隔をｘ（ｉ）とすると、ｘ（ｉ）はｉについての周期関数と多項式との線形結合であらわされることを特徴とする請求項１又は２に記載の平面光波回路。