JPH075334A

JPH075334A - 光通信における周波数の選択装置

Info

Publication number: JPH075334A
Application number: JP6036858A
Authority: JP
Inventors: Jeffrey A Kash; ジェフリー・アラン・カッシュ; Bardia Pezeshki; バーディア・ペゼシュキー; Franklin F Tong; フランクリン・フク−ケイ・トング
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1993-04-22
Filing date: 1994-03-08
Publication date: 1995-01-10
Also published as: US5343542A

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】光通信に適用するための、コンパクトで、高
分解能の導波管光デマルチプレクサまたはスペクトロメ
ータを提供する。【構成】多数の不連続な波長または光学チャネルから
なる入力光が、波長チャネルが間隔を空けて分離される
ように、スペクトルに分解される。２つの主要な要素
は、内部で光の周波数を反射するためにその長さ方向に
沿ったハーフ・ミラーを有する導波管１１１と、導波管
のハーフ・ミラーを共振ミラーの１つとする光共振器３
０１である。選択された周波数が、導波管から抽出され
て共振器内で共振する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高分解能の波長デマル
チプレクシング（分波もしくは分光）を行う方法及びそ
の装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】分光法、光ネットワーク、及び光リンク
等の分野における応用として、コンパクトで高分解能の
導波管（導波路）デマルチプレクサ又はスペクロトロメ
ータ（分波器もしくは分光器）の開発に関する多くの試
みがある。このようなデマルチプレクサは、波長分割マ
ルチアクセス（ＷＤＭＡ）ネットワーク及び波長分割多
重化（ＷＤＭ）リンクにおいて極めて重要である（P.E.
GREEN, Fiber Optics Networks Prentice Hall, 199
2）。これらのネットワーク又はリンクにおいて、各ノ
ード又はチャネルは、データ伝送のために個別に固有の
波長を割り当てられている。ＷＤＭＡネットワークで
は、各ノードが、受動型光スター・カプラを用いてネッ
トワーク中の他の各ノードに対して同報通信を行う。従
って、各ノードを接続する光ファイバは、多数の不連続
な波長チャネルを搬送し、そしてデータを受信する前に
特定の波長を選択する。データの受信は、波長デマルチ
プレクサ、光検出器、及び電子選択回路を組合わせるこ
とによって行うことができる。ＷＤＭリンクについても
状況は同様であり、光ファイバの容量を増すために多数
の波長が多重化された後、１本の光ファイバを介して伝
送される。さらに、受信器は、多数の波長をデマルチプ
レクシング（分波もしくは分光）し、受信する適切なチ
ャネルを選択しなければならない。これらの適用例にお
いて波長デマルチプレクサに必要とされることは、光学
的帯域幅＞３０ｎｍ、数オングストロームの波長分解
能、極性不感知、コンパクトさ、低損失、低クロストー
ク、及び低製造コストである。

【０００３】現在、特定の波長を選択するための周知の
方法は多数ある。しかしながら、前記のような適用に対
する理想的なものは存在しない。これらの方法は、バル
ク形もしくは導波管構造のいずれかに依存し、そして周
波数選択要素が干渉格子もしくはファブリペロー(Fabry
-Perot：Ｆ−Ｐ)キャビティ（もしくは共振器）であ
る。バルク形は、ファイバベースのＷＤＭ用途に対して
は一般的に大きすぎ且つ高価すぎるものである。回折格
子は、長年知られているものであり、波長が回折された
角度の関数となる高分解能のスペクトルを与えるもので
ある。従って、単一の格子を用いて、多数の波長をデマ
ルチプレクシングすることが可能である。しかしなが
ら、このようなバルク格子は高価であり、また光ファイ
バと共に使用することが困難である。

【０００４】ファブリペロー共振器もまた、光のデマル
チプレクサとして利用可能である。回折格子よりもさら
にコンパクトではあるが、Ｆ−Ｐ共振器はただ１つの波
長しか抽出することができないので、共振器をその特定
の波長について特別に設計しなければならない。各波長
に対して１個づつ、何百個もの装置を製作することは実
用的ではないことから、この共振器が全スペクトルを生
じるように修正するための多くの試みがなされてきた。
こうして、この限界を克服するために機械的に調整可能
な共振器が作製された。光ファイバを用いた機械的に同
調可能な構造が、米国特許第４８６１１３６号に記載さ
れている。大面積のシリコン膜を利用する類似の構造
が、米国特許第４８２５２６２号に記載されている。し
かしながら機械的な干渉計は、必然的に波長変化が遅い
ため、高速通信の要求とは合致しない。

【０００５】ファブリペロー共振器からスペクトルを発
生させる別の方法は、共振波長が位置の関数となるよう
な装置を用いることである。例えば、テーパ形ファブリ
ペローキャビティでは、装置の各部分が特定の波長に対
応する。テーパ形Ｆ−Ｐ構造は、米国特許第５１４４４
９８号に詳細に記載されている。このような構造の欠点
は、入射光がテーパの全長に亘って分布しなければなら
ないことであり、従って装置の僅かな部分しか目的とす
る波長に対応しない。よって、テーパ構造の他の部分に
当たる光は全て無駄になってしまう。例えば、１００チ
ャネルの分解能を持つデマルチプレクサは、必然的にそ
のパワーの９９％を無駄にすることになる。これらのテ
ーパ形Ｆ−Ｐ構造は、非効率的であるのみでなく、製造
が複雑であり且つ他のバルク形装置とのファイバ不適合
が起きやすい。

【０００６】さらにコンパクトな構造は、平面導波管形
を利用して作製することができ、この場合、周波数選択
要素は導波管構造内に設けられる。最も普通の手法は、
集積された導波管内にリソグラフィにより回折格子のパ
ターンを作製するものである。これらの装置は、ファイ
バと共に使用するためにより適したものではあるが、製
造が困難でありかつ高価である。回折格子は、非常に精
度よく作製する必要があり、しばしば直接書込み電子線
システムを必要とする。従って、回折格子の存在は、本
質的に製造プロセスを複雑にし、著しくコストを上げる
ことになる。このような回折格子は、波長選択を行うた
めに多くの形態を採り、また異なるトポロジを利用す
る。光を選択し且つ焦点を合わせるためのRowland構成
が、AppliedPhysics Letters vol.58, pp.1949-1951, 1
991 及び IEEE Photonics Technology Letters vol.4,
pp.108-110, 1992 に報告されている。隣接するアーム
間の位相シフトに基づく導波管装置が、IEEE LEOS'92 C
onference Proceedings pp.688-689, 1992 及び IEEE J
ournal of Lightwave Technology vol.80, no.3, pp.41
1-419, 1992 に報告されている。チャネル導波管上に物
理的に表された類似のチャネル・ドロッピング・フィル
タが、IEEE Photonics Technology Letters vol.4 no.1
2, pp.1378-1381 1992 に報告されている。以上の全て
の装置には、導波管上への回折格子の作製が複雑で且つ
高価なプロセスとなるという難点がある。

【０００７】導波管回折格子に伴うコストと複雑さを克
服するために、回折格子を必要としない周波数選択をす
る導波管装置を作製する試みがなされてきた。残念なが
ら、これらの回折格子の無い装置のほとんどが分解能が
低く、また長い相互作用長を必要とするという欠点があ
る。導波管を光ファイバとより適合させるために、反共
振反射光導波管（anti-resonant reflecting optical w
aveguide：ＡＲＲＯＷ）が開発された。この導波管は、
少なくとも１つのミラーを置換える分散ブラッグ反射器
（distributed Bragg reflection：ＤＢＲ）を利用する
ものである。ＤＢＲの反射率は波長と入射角の関数であ
るので、有効な単一モード動作を広いコア領域について
得ることができる。これは、比較的良好な光ファイバ適
合性を有するので、結合効率を増すことができる。ＡＲ
ＲＯＷ構造は、Applied PlysicsLetters vol.49, pp13
1986 に最初に報告された。ＤＢＲの反射率は、波長の
関数であるので、ＡＲＲＯＷ構造を光デマルチプレクサ
として利用することもまた可能である。位置の関数とし
て厚さが変化するＤＢＲミラーは、多くの波長をデマル
チプレクシングすることができ、且つそれらの波長を導
波管上の異なる箇所から取出すことが可能である。こう
して、ＡＲＲＯＷ層の周波数依存性のある反射率に基づ
く位置依存型装置が作製された（IEEE Journal of Li
ghtwave Technology vol.8, pp.99 1990）。しかしなが
らその構造は、高い精度の共振器を使用せず、ただＡＲ
ＲＯＷ層の周波数依存性のある反射率にのみ基づくもの
であったために、装置の分解能は、〜８００オングスト
ロームまでに限られていた。

【０００８】周波数選択を行うための別の方法は、非類
似の導波管同士の結合を利用するものである。同じ伝播
定数を有する２つの導波管が、方向性結合器内などに近
接して置かれた場合、光は一方の導波管から他方へと伝
わることができる。もし導波管が非類似の材料で作られ
ている場合、位相整合条件は特定の波長においてのみ満
足されるので、この装置は入射する波長のスペクトルか
ら１つの波長を抽出することができる。この理論は、Op
tics Communication vol.8 p.421, 1973において最初に
論じられ、後に IEEE Journal of Lightwave Technolog
y vol.5,pp.113 1987 においてより完全な取扱いが報告
された。この原理で動作する方向性結合器は、LiNbO₃を
ドープしたTiを用いて作製された（Electronics Letter
s vol.25, pp.406 1985）。残念なことにこの構造の性
能は、極めて低いものであった。例えば、結合長９ｍｍ
において得られた分解能は７５０オングストロームであ
った。さらにこの構造の欠点は、ただ１つの波長しか選
択できないことである。従って単一のＦ−Ｐ共振器のよ
うに、各波長チャネルについて異なる装置を用いなけれ
ばならない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上のことから、本発
明の目的は、低損失で広いスペクトル範囲を包括するコ
ンパクトで、高分解能、且つ大チャネル容量の波長デマ
ルチプレクサを提供することである。さらに本発明の目
的は、リソグラフィ手法により低コストでコンパクトな
形態で製造可能な波長デマルチプレクサを提供すること
である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本明細書に記載の波長デ
マルチプレクサは、非常に簡単な構造であり、従って低
コストとなるべきものである。生産性と価格は、光リン
ク及びネットワークの成功の鍵となる要素である。装置
の構造は、波長選択共振器と平行且つ近接して置かれた
入力導波管からなる。両者の間の汎用的なミラーによっ
て、導波管の光モードが共振器中へわずかに漏れること
が可能である。光は、入力導波管に接続された光ファイ
バを介してこの構造に入射し、共振器に適合する波長の
光が選択されて導波管から除かれる。共振器は入力導波
管に弱く結合（weakly coupled）しているので、共振点
以外では導波管に影響を及ぼさず、従って入力導波管は
低損失である。他の波長は共振器により影響を受けない
ので、それらの波長は導波管中に留まり、再利用でき
る。共振器の共振波長を装置に沿う方向の位置の関数と
することにより、この波長選択要素を、入射光のスペク
トルを得るために利用することができる。従って、異な
る波長の光が共振器によって選択され、この構造上の異
なる位置に集められる。本発明の装置は、共振点以外の
光が導波管内に保持されて排除されないことを除くと、
前述のテーパ形Ｆ−Ｐに類似している。導波管及び共振
器の構造は、反共振反射光導波管（ＡＲＲＯＷ）の幾何
を利用すればうまく作製される。この方法では、導波管
モードを極めて大きくすることが可能であり、これによ
って光ファイバへの光学的結合が容易になる。さらに、
ＡＲＲＯＷ層によって得られる高い反射率は、共振器の
作製に適している。共振器は、方向性結合器を形成する
平行導波管、あるいはファブリペロー（Ｆ−Ｐ）キャビ
ティとして考えるのが最もよい。数学的に、２つの構造
は独立している。従って、共振器は高反射率塗膜を両側
に設けており、その共振波長は、２つのミラー間の隙間
の厚さによって予め決定される。この厚さは位置によっ
て変わるようになっており、それによって異なる波長の
光を、この装置上の異なる位置において抽出することが
できる。不連続な段またはテーパのいずれも、この幅の
変化を与えるために利用することができる。光検出につ
いては、共振器の下方に直接光検出アレイを置くか、ま
たは、共振器自体をリソグラフィによりパターン化して
光検出器として機能するようにしてもよい。

【００１１】従って、本発明は、光の複数の波長から少
なくとも１つの波長を選択するための装置に関するもの
であり、以下の要素を含む。即ち、導波管内を伝播する
光周波数を反射する導波管長に沿うハーフ・ミラーと、
該ハーフ・ミラーをその共振ミラーの１つとして利用し
て該導波管から抽出された選択された周波数で共振する
光共振器とを備えた導波管である。本発明の、さらに特
定された実施例は、導波管（その長さ方向）に沿った異
なる位置において異なる波長を抽出する導波管デマルチ
プレクサを提供する。各共振器は、入力導波管内を伝わ
る他の波長にほとんど影響を及ぼさないので、この装置
は低損失で且つ効率的である。さらに、高価な回折格子
が不要であるので低コストで作製できる。さらに、コン
パクトな導波管特性は、光ファイバシステムとの適合を
可能にする。

【００１２】

【実施例】本発明の好適例が、図１に示されている。装
置の種々のパラメータの設計値については、本段におい
て後述することとし、特定例及び動作説明は後段におい
て述べる。多数の個別の波長または光チャネルからなる
光ファイバ１０１に入射する光が、上述のＡＲＲＯＷ構
成を有する入力導波管１１１へ結合される。導波管は、
各側面に２つのミラーを備えている。表面側のパワー反
射率Ｒ１をもつ材料−空気界面２０１は、内部全反射で
あるので導波管１１１内を伝わる光波に対して完全反射
器となっている。パワー反射率Ｒ２をもつ多層ミラー２
０２は、第２のミラーであり、導波管１１１の底面から
の必要な反射を生じる。このミラーは、多数の１／４波
長層２１０からなる分散型ミラー（ＤＢＲ）として作製
することが最も簡便である。２０１における内部全反射
及び２０２における高いＲ２値のために、導波管１１１
内を伝わる光波は、ほとんど減衰しない。本発明の装置
は、パワー反射率Ｒ３をもつ別の多層ミラー２０３が、
多層ミラー２０２の下部に所与の間隔を置いて設けられ
る点で汎用的なＡＲＲＯＷ構造とは異なる。間隔２０
４、ミラー２０２及び２０３の組合わせが、共振Ｆ−Ｐ
キャビティ３０１を形成する。こうして、導波管構造及
び結合ミラー２０２を備えた共振器が得られる。一般
に、導波管１１１を伝わる光波は、このＦ−Ｐキャビテ
ィと共振する光波長以外は、ミラー２０３の影響を受け
ない。この状態で光波は、導波管１１１から基板２０５
へ漏れることになる。導波管内部の光路１００の屈折率
は、共振器３０１の内部の光路１５０の光周波数におけ
る屈折率よりも小さくなるように作製される。異なる位
置において異なる波長が出て行くことができるように、
共振キャビティの厚さは、長さ方向に沿って変化するよ
うに作製される。これは、不連続な段、あるいは段階的
なテーパのいずれを用いても実現することができる。両
ミラー層は反共振（１／４波長）であるので、これらの
屈折率は、これらの幅に敏感な関数ではなく、従ってこ
れらの厚さがテーパ状であるか否かは重要ではない。し
かしながら、キャビティのテーパに対応するミラー２０
２及び２０３中のテーパは、この装置の分解能を向上さ
せることになる。異なる波長からの信号を検出するため
に、基板２０５の下方に光検出器のアレイ４０１が設け
られる。よって、各光検出器は唯１つの波長チャネルの
光のみを受信することになる。

【００１３】共振器と導波管の間の結合を理解する別の
方法として、方向性結合器（directional coupler）の
変形としてこの構造を捉えることができる。ここで、テ
ーパを無視して装置の各層が均一な厚さであると仮定す
ると、共振器３０１を別の導波管と見做すことができ
る。そうするとこの装置は、方向性結合器に類似の近接
した２つの導波管といえる。２つの導波管は、共通のミ
ラー２０２を介して結合されている。しかしながら、下
方の導波管（共振器）３０１は、底面ミラー２０３の反
射率Ｒ３が一定でないので漏れやすくなっている。通
常、汎用的な方向性結合器は、２つの独立した導波管で
作製されており、そしてその装置の完璧な対称性を保証
するために大変な困難を伴う。光モードは双方の導波管
中で共振するので、その光は、古典的な結合発信器の方
法により２つの導波管の間で後ろにも前にも結合する。
２つの導波管は独立しているので、方向性結合器は波長
にそれほど敏感でなく、よって光は双方の導波管中で共
振し続ける。しかしながら本発明の場合、第２の導波管
（共振器）３０１は、第１の導波管１１１と非常に異な
っている。理想的には、導波管（共振器）３０１のコア
は、導波管１１１のコアよりも高い屈折率の材料からな
っている。従って２つの導波管の伝播定数は、１つの特
定の波長においてのみ一致し、その波長のみが第２の導
波管３０１と結合する。さらに、この導波管（共振器）
３０１は不完全ミラーＲ３を有しているので、この導波
管に結合した光は、極めて速やかに漏れ出て行く。この
ミラー２０３の反射率は、小さすぎる場合は共振及び第
２の導波管（共振器）への結合が破壊され、一方、大き
すぎる場合は装置からの光の抽出が制限されるので、適
切に選ばなければならない。

【００１４】この設計については、数多くの変形が考え
られる。テーパの代わりに、共振器の厚さが段階的に変
化するように作製することができる。全体の構造を基板
に対して上下逆にする、即ち、共振器３０１及び光検出
器４０１を導波管１１１の上に置くことも可能である。
このようにすると、基板２０５における吸収及び散乱を
取り除くことができる。この場合、共振器は１つのＤＢ
Ｒと１つの全反射ミラーを備え、一方、入力導波管は２
つのＤＢＲミラーを備えることになる。全体の構造は、
金属−有機化学的気相蒸着（MetalOrganic Chemical Va
por Deposition：MOCVD）等の技術を用いて半導体によ
り作製することができ、光検出器については、この装置
内に設けることも可能であるし、あるいは、Ｆ−Ｐキャ
ビティをドープされたpinとして光検出領域として機能
させることさえできる。この一体化された例は、図２に
示されている。この場合、底面ミラー２０３は、反射率
Ｒ３でほぼ一定に作られ、pinダイオードの一方の側面
を形成するためにドープされる。共振器３０１は、僅か
に吸収があるように作られ、それによってキャビティ損
失が、前述の例及び図１で述べた不完全反射器Ｒ３と等
価になる。上方の反射器２０２は、ダイオードのもう一
方の側面を形成するようにドープされ、本質的なデプレ
ッション（depletion：空乏）領域を形成する間隔２０
４を設ける。最上層の導波管１１１は、半導体ウェハ上
に誘電体を蒸着した後、パターン化することによって形
成される。ダイオード自体は、プロトン注入（proton i
mplant）５０１を用いてパターン化することにより絶縁
層を形成し、そして導波管１１１の傍に金属パッド５０
２を蒸着して接点を設ける。他方の電気的接点は、基板
を介して設けることができる。

【００１５】装置の実際の設計は、材料の特質及び望ま
れる性能に依存する。導波管を光線光学的側面から解析
すると、設計を決定するための簡単な公式を得ることが
できる。基本モードはＴＥであるので、より高次のＴＭ
モードは無視することとする。ここで、図１に示すよう
にθを光線が水平方向となす角度とし、φを光線が垂直
方向となす角度とする（θ＋φ＝９０°）。光線光学的
手法によりこのモードの角度が与えられる。即ち、

【００１６】

【数１】

【００１７】ここで、２つの位相シフトの影響を含む導
波菅の有効厚さをｄ_effと定義する。最下面からの位相
シフトは、反射率が非常に高く光学場（optical fiel
d）の透過はほとんど無いので最初の解析では無視でき
る。最上面の内部全反射は、グース・ヘンシェン（Goos
Hanchen）位相シフトを生じ、これは無視できない。有
効導波管厚さは以下のようになる。

【００１８】

【数２】

【００１９】最上層を除く他の層には、グース・ヘンシ
ェン位相シフトは無い。従って、これらの他の層の有効
厚さは、これらの実際の厚さにほぼ等しい。ミラーに使
用される層は、１／４波長の厚さと等しくなるべきであ
り、キャビティ間隔２０４は、半波長の整数倍に相当す
べきである。ここでは斜め入射であるので、η＝ｎｃｏ
ｓφで与えられる有効屈折率またはアドミッタンスηを
各層について用いることができる。ここで、ｎは一般的
な屈折率であり、φは層の中での角度に相当する。異な
る層の中での角度は、スネルの法則から導くことができ
る。即ち、ｎ_iｓｉｎφ_i＝ｎ_jｓｉｎφ_jである。角度依
存性を考慮すると、ｊ番目の層の厚さは次のように表さ
れる。

【００２０】

【数３】積層の各層が最適化されている場合、その積層の反射率
は容易に計算できる。別の１／４波長層を追加すること
で、その多層のアドミッタンスは元のアドミッタンスに
よって分割され仕切られた追加された領域のアドミッタ
ンスに変わるので、両端で高い屈折率を有するＰ＋１／
２の周期の反射率は、次のように表される。

【００２１】

【数４】

【００２２】垂直入射で動作する従来のファブリペロー
・キャビティにおいては、入射場（incident field）の
強度（輝度）が何度も繰り返されてキャビティ内に光学
場が形成される。このとき、入射光の方向へキャビティ
から漏れる光は、前面ミラーから反射される光と好まし
くない干渉をし、その結果、装置の全反射率をゼロにし
てしまう。従って、全ての光が装置を通って伝播する。
本発明による装置は、これとはやや状態が異なる。この
共振器は、斜め入射で動作するので、キャビティ内に形
成される光学場は、最初の導波管への入射光と同じ方向
に伝播する。その結果、光学場を形成するためにある有
限の距離を必要とする。次に、共振器内に光学場が形成
されると、それが元の導波管内の光強度から差し引か
れ、従って入射強度は一定とならない。正確な解析を行
うために、これらの効果の双方を考慮する結合モード
（coupled mode）方程式を用いなければならない。性質
上、高反射ミラーを用いることによって装置の分解能ま
たは波長選択性が増すことは明らかである。しかしなが
ら得られた高性能キャビティは、装置から出る光を結合
する距離がより長くなるので、共振器内に光学場を形成
するのに必要な時間と距離を増すことになる。ここで、
共振器の屈折率を大きくすることによって、この距離を
最短にすることができる。なぜなら、スネルの法則によ
って、光線が垂直になるほど、その後の光学場が形成さ
れるための距離が短くなるからである。本発明の構造に
ついての結合モード方程式を次のように表すことができ
る。

【００２３】

【数５】

【００２４】β₁＝β₂＝βとなる位相整合の場合が興味
深い。この場合、第２の導波管もしくは共振器が、その
伝播モードに対応する特定の波長を第１の導波管から完
全に抽出することができる。その結合定数は、中央ミラ
ー反射率Ｒ２に関連づけることができる。

【００２５】

【数６】同様に、損失距離ｌをミラー反射率Ｒ３に関連づけるこ
とができる。

【００２６】

【数７】ミラー２０３が完全反射（Ｒ３＝１）であって損失がな
いとき（ｌ＝∞）この位相整合系について結合モード方
程式を解く場合、２つの導波管の間で前後に結合する光
学場の汎用的な結果を得ることができ、結合長は、次の
式で与えられる。

【００２７】

【数８】

【００２８】従って、１つの結合長内で全てのパワー
が、１つの導波管から次の導波管に結合される。底面ミ
ラーの反射率を減らすことにより導波管からの損失が増
すにつれて、サイン波振動が減衰する。最終的に臨界減
衰ファクタにおいて導波管の光学場が、元の導波管中へ
の結合の戻りが無い状態で、可能な限り最短の距離で抽
出される。この状態は、次の式１１の場合に生じる。

【００２９】

【数９】式１１は、装置の動作を決定する。効率的な抽出を行う
ために、装置はこの条件を満足するように設計されなけ
ればならない。Ｒ３の反射率が大きすぎる場合、光は、
抽出される前に導波管同士の間を何回も前後に結合する
ことになる。一方、Ｒ３が小さすぎる場合、系は過減衰
し、光は第２の導波管と結合して装置から出て行くため
により長い距離を採ることになる。この原理を確かめる
ために、種々の状態について数値的に結合モード方程式
を解いた。距離の関数としての各導波管内の光のパワー
が、図３に示されている。Ａは、５μｍの結合長を持つ
減衰中の結合系をモデルとしている。２つの曲線は、各
導波管内の光の強度を示している。Ｂは、臨界減衰を与
えるように損失が調整されており、光学エネルギーは結
合長のほぼ２乃至３倍で抽出される。Ｃは、Ｒ３が小さ
すぎる場合の系を示しており、この系は過減衰する。従
って、光は抽出されるために非常に長い距離を要する。

【００３０】この装置の波長分解能を評価するために、
再び結合モード方程式に返って、位相整合が得られない
場合の状態を解析する。波長が位相整合状態ではない場
合（β₁＝β₂）、２つの導波管の間の結合は低下する。
式６及び式７を解くと、２つの共振器間の結合は、次の
式１２が成り立つ限り効率的であることが明らかにな
る。

【００３１】

【数１０】式１２は、次の式１３で与えられる波長分解能に書き直
すことができる。

【００３２】

【数１１】このΔλが、大まかには応答のＨＷＨＭに対応すること
が期待される。従って、中央ミラー反射率を大きくする
ことによって装置の分解能を増そうとすると、より長い
結合長にコストがかかることになる。結合長と分解能の
間の関係は、次式で表される。

【００３３】

【数１２】この関係は、構造を修正することにより改善することが
できる。共振器３０１の大きさを調整してその厚さを増
すと、正しい波長で伝播するより高いモードが可能にな
る。が、それはまた結合長への影響も大きくする。Ｆ−
Ｐキャビティに関しては、より高次のキャビティモード
を用いることによって、より高い分解能を得ることがで
きる。１／４波長ミラーを用いれば、結合長を増すとい
う好ましくない結果を伴うこと無く、類似の効果を得る
ことができる。設計波長におけるミラーからの反射では
位相シフトが無いが、他の波長においては位相シフトが
ある。この位相の周波数依存特性によって、装置の分解
能を著しく増すことができる。１／４波長層から作製さ
れる完全反射器について、反射における位相シフトが、
次式のようにほぼ線形であることを示すことができる。

【００３４】

【数１３】この位相ファクタをβの計算に含めると、βが波長に伴
い大きく変化し、分解能が顕著に向上することがわか
る。もちろん、このミラーの位相応答による利点を享受
するためには、ミラーの設計波長がキャビティ長さに沿
ってテーパ状になっていなければならない。そうしなけ
れば、キャビティの共振は位相変化によってシフトする
ことになる。このミラーのテーパは、ミラーとキャビテ
ィを同じ蒸着システムにおいて成長させる作製プロセス
によって自然に得ることができる。

【００３５】以上の議論は、等しい１／４波長層がミラ
ーを形成するために用いられているＡＲＲＯＷ構造に限
定されていたが、この装置はまた、汎用的な導波管を用
いて作製することもできる。この場合ミラーは、高屈折
率材料の１／４波長層ではなく、低屈折率の鞘領域であ
る。この手法の欠点は、単一モードを維持するために導
波管を非常に薄くしなければならないことである。ＡＲ
ＲＯＷ導波管は特定の角度で最適化されているので、よ
り高次のモードに相当する他の角度においては損失があ
り、有効な単一モード動作が得られる。従来の単一モー
ド構造において導波管が薄くなると、大きなモード・サ
イズを有する光ファイバとの結合がより困難になる。し
かしながら、レンズ状ファイバ及び他の新規な技術を用
いれば、これらの装置を従来の導波管構造を用いて実際
に作製することが可能である。前記の方程式は、この装
置の設計及び動作をも表現している。しかしながら、１
／４波長ミラーではなく鞘領域を用いているので、各イ
ンターフェースにおいてグース・ヘンシェン・シフトを
考慮しなければならない。従って、式２は２個の付加的
な項を含み、それぞれが各インターフェースに対応す
る。この式は近似であり、小さい角度に対してのみ有効
であるので、ｄ_effに対するより正確な値は、各境界面
における全グース・ヘンシェン・シフトを用いて式１か
ら導かれる。

【００３６】

【数１４】位相シフトΔφは、導波管中の未知のモード角度φに依
存するので、有効導波管厚さｄ_effを計算するために式
１と式１６とを供に解かなければならない。これが計算
されると、Ｒ２として作用する薄い低屈折率領域の反射
率が評価できる。

【００３７】

【数１５】式１５及び式１６を用いることにより、低屈折率鞘領域
を持つ汎用的な導波管を利用した本発明によるスペクト
ロメータを作製することができる。

【００３８】上記の表現は、ＴＥ偏光のテイラー化であ
る。偏光の違いを用いてＴＥとＴＭの双方の偏光を検出
する方法がある。簡単に述べると、光信号の偏光は、Ｔ
ＥモードとＴＭモードに分けられ、ＴＭモードは９０°
回転したものである。双方のモードは、２つの分離して
はいるが類似の導波管デマルチプレクサへ与えられる。
検出は、１つの大面積検出器かもしくは２つの分離した
検出器の電気信号を組合わせることにより行うことがで
きる。類似の技術が、IEEE Journal on Selected Areas
in Communications vol.8 pp.1511-1159, 1990 に記載
されている。

【００３９】実証上記の方程式により数学的に表されたこの装置の原理を
実証するために、ＭＯＣＶＤ気相成長によりＧａＡｓ／
ＡｌＧａＡｓミラー及び共振器を用いたハイブリッド構
造を成長させ、また蒸着したガラス導波管を用いた。Ｍ
ＯＣＶＤ成長の不均一性を利用して、４．５ｃｍのチッ
プに沿って９％のテーパを形成した。そして、共振器を
通過する際の結合に適した導波管からの距離を与えるよ
うにこのテーパを設計した。大きく異なる屈折率を得る
ために半導体共振器とガラス導波管を利用することによ
り、分解能を向上させ結合長を短くした。使用された材
料は、屈折率３．５のＡｌ_0.3Ｇａ_0.6Ａｓ、屈折率３．
０のＡｌＡｓ、及び屈折率１．４６のＳｉＯ₂である。
この構造は、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.6Ａｓ／ＡｌＡｓの１／４波
長層を用いた１６．５周期の背面ミラー２０３を有して
いる。この構造は、高屈折率を持つＧａＡｓ基板上に成
長させているので、ＡｌＡｓ領域がミラーの外側にあ
る。計算された反射率Ｒ３は、９９．５２％であった。
共振器は、ウェハの中央にある１１７８オングストロー
ムのＡｌ_0.3Ｇａ_0.6Ａｓであり、中間ミラー２０２（Ｒ
２）は、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.6Ａｓ／ＡｌＡｓの１／４波長層
７周期からなり、最後はＡｌＧａＡｓ層である。最上層
の導波管は、ＳｉＯ₂を４μｍ蒸着して形成する。この
装置は、ＳｉＯ₂におけるモード角３．５８１°で真空
波長約７５００オングストロームにおいて動作するよう
設計されている。この波長では、全ての層が透過であ
り、スペクトロメータによって選択される光は、ＧａＡ
ｓ基板に入射し、蛍光を生じる。基板によって発生する
この長い波長の光（８８００オングストローム）は、シ
リコン検出器によって検知され、画像化される。中心波
長において上記の方程式を用いると、伝播定数βが１
２．２１μｍ^-1、ガラス導波管の有効厚さが４．１１２
μｍ^-1、Ｋ_couplが０．０２３１μｍ^-1、及び１／ｌが
０．０４３８μｍ^-1と計算された。計算された下方ミラ
ー２０３の反射率は、式１１により表されたものよりや
や高く設計されている。なぜなら、散乱や作製中の誤差
のために実際の値が低くなることが予想されるからであ
る。最上層反射器２０２は、かなり鋭い入射角において
動作するので、高反射率を得ることが比較的容易であ
り、従って作製中の誤差は意図的には補償され、予測さ
れた結合長は、図３のＢに示すように６８μｍであり、
光のほとんどが結合により結合長の２、３倍以内で出て
行くと期待される。予想される分解能（ＦＷＨＭ）は、
１／４波長ミラーの影響を無視すると約１２オングスト
ロームである。ミラーは、分解能を約４倍に向上させ
る。しかしながら、位相整合状態の前に極めて大量の光
が抽出されるので、緩やかなテーパは性能を低下させる
と予想される。

【００４０】装置の性能を測定するために、同調可能な
Ｔｉサファイアレーザを利用し、分割面（cleaved fase
t）を用いて導波管への光と結合した。チップは画像化
され、狭いスリットを用いて検知される光を制限し、チ
ップ上の細い縞とする。そして波長の変化による、蛍光
の位置依存性を測定する。図４は、波長が約２０オング
ストローム間隔で変化した場合の実験結果を示してい
る。明らかに、異なる波長に対して蛍光の位置が変化し
ている。光は右から入射しており、グラフの左側におい
てピークの高さが減少しているのは、導波管の損失と散
乱によるためである。図５は、さらに狭いスリットを用
いた、より高い分解能によるピークの１つの走査結果を
示している。ピークのＦＷＨＭは、約２５０μｍであ
る。大きなピークに重なった小さいピークは、２つの導
波管の間で前後に結合している光によって生じたもので
ある。このことは、本発明によるシステムが減衰下にあ
ることを示し、また、結合のためにより大きい距離が必
要であること説明している。観察された小さいピーク間
の間隔は、約１００μｍであり、予測値１３５μｍに近
い。僅かに値が小さいのは、Ｒ２に対する実験値が計算
値より僅かに小さかった（９９．４％ではなく、９８．
６％）ためと考えられる。この反射率Ｒ２が小さいこと
はまた、減衰状態にも寄与している。波長分解能を測定
するため、検知器の位置を固定して、注意深くＴｉサフ
ァイアレーザを波長ＦＷＨＭ測定のために同調させた。
約８オングストロームの測定値は、予想されたものとよ
く合っている。

【００４１】作製中の誤差にもかかわらず、図３及び図
４の結果は、本発明の装置が理論どおりに動作すること
を示している。作製誤差に起因して僅かに性能が低くは
なったが、高分解能のコンパクトな装置が得られた。１
つのＦＷＨＭをチャネル間隔と仮定すると、４．５ｃｍ
のチップで２００以上のチャネルを形成できる。この構
造は、光検出アレイと一体化したり、またスペクトロメ
ータとして機能するようパッケージ化することも可能で
ある。検出器は底面ミラーの下方に設けてもよいし、あ
るいは、共振器自体が、ドープされて光検出器として機
能してもよい。検出器と一体化した場合、この装置は、
ＷＤＭとしての適用において極めて有用なものとなる。

【００４２】本欄のまとめとして、本発明の構成を以下
のとおりに開示する。

【００４３】１．光の複数の周波数から少なくとも１つ
の周波数を選択する装置であって、伝送される前記光の
複数の周波数を反射するために長さ方向に沿ってハーフ
・ミラーを備えた導波管と、共振ミラーの１つが前記ハ
ーフ・ミラーであり、前記選択される周波数が前記導波
管から抽出され且つ共振する光共振器とを有する、装
置。

【００４４】２．上記１に記載の装置において、前記共
振器が、長さ方向に沿って厚さの変化する共振キャビテ
ィを備えることにより、該長さ方向に沿った異なる位置
において異なる共振周波数を発生する構成。

【００４５】３．上記１または２に記載の装置におい
て、前記共振器が、ファブリペロー共振器である構成。

【００４６】４．上記１または２に記載の装置におい
て、前記導波管が反共振導波管である構成。

【００４７】５．上記１または２に記載の装置におい
て、前記共振器の損失が最小の距離で前記導波管から光
エネルギーを抽出する構成。

【００４８】６．上記２に記載の装置において、前記導
波管における前記複数の周波数の光路が、前記振キャビ
ティにおける光路よりも低い屈折率を有する構成。

【００４９】７．上記１または２に記載の装置におい
て、前記共振器が、少なくとも前記選択された光の周波
数を電気信号に変換する光検出要素として構成されるこ
とを含む構成。

【００５０】

【発明の効果】本発明により、光通信において適用可能
なコンパクトで高分解能の導波管光デマルチプレクサが
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による導波管デマルチプレクサの好適例
を示す図である。

【図２】光検出器を一体化させた本発明による導波管デ
マルチプレクサの好適例を示す図である。

【図３】導波管内の光のパワーを距離の関数として表し
たグラフである。

【図４】異なる周波数における光の強度を導波管内の位
置の関数として表したグラフである。

【図５】図４よりも高い分解能において光の強度を導波
管内の位置の関数として表したグラフである。

【符号の説明】

１００導波管内光路１０１光ファイバ１１１上部導波管１５０共振器内光路２０１導波管最表面２０２上部多層ミラー２０３下部多層ミラー２０４デプレッション領域２０５基板２１０１／４波長層３０１共振器（キャビティ）４０１光検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者バーディア・ペゼシュキーアメリカ合衆国06605 コネチカット州、ブリッジポート、アパートメント218、ビーチビュー 110 (72)発明者フランクリン・フク−ケイ・トングアメリカ合衆国06907 コネチカット州、スタンフォード、パーリー・ロード 108

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光の複数の周波数から少なくとも１つの周
波数を選択する装置であって、伝送される前記光の複数の周波数を反射するために長さ
方向に沿ってハーフ・ミラーを備えた導波管と、共振ミラーの１つが前記ハーフ・ミラーであり、前記選
択される周波数が前記導波管から抽出され且つ共振する
光共振器とを有する、装置。
【請求項２】前記共振器が、長さ方向に沿って厚さの変
化する共振キャビティを備えることにより、該長さ方向
に沿った異なる位置において異なる共振周波数を発生す
る、請求項１に記載の装置。
【請求項３】前記共振器が、ファブリペロー共振器であ
る請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】前記導波管が反共振導波管である、請求項
１または２に記載の装置。
【請求項５】前記共振器の損失が最小の距離で前記導波
管から光エネルギーを抽出する、請求項１または２に記
載の装置。
【請求項６】前記導波管における前記複数の周波数の光
路が、前記共振キャビティにおける光路よりも低い屈折
率を有する、請求項２に記載の装置。
【請求項７】前記共振器が、少なくとも前記選択された
光の周波数を電気信号に変換する光検出要素として構成
される、請求項１または２に記載の装置。