WO2004061496A1 - アレイ導波路格子型光合分波回路 - Google Patents

アレイ導波路格子型光合分波回路 Download PDF

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Tsutomu Kitoh
Yasuyuki Inoue
Mikitaka Ito
Yoshinori Hibino
Akimasa Kaneko
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Nippon Telegraph And Telephone Corporation
Ntt Electronics Corporation
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Definitions

  • the present invention relates to an arrayed waveguide grating type optical multiplexer / demultiplexer used for an optical wavelength division multiplexing communication system.
  • the transmitter multiplexes optical signals of multiple wavelengths and the receiver splits multiple optical signals in one optical fiber to different ports.
  • Array waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuits are widely used as wavelength multiplexing / demultiplexing circuits.
  • FIG. 8 is a configuration diagram of a conventional arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit.
  • the conventional arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit includes an input waveguide 1, a first slab waveguide 2 connected to the input waveguide 1, and a first slab waveguide.
  • An array waveguide 3 composed of a plurality of optical waveguides connected to the waveguide 2 and sequentially elongated by a predetermined waveguide length difference, a second slab waveguide 4 connected to the array waveguide 3, and a second slab And a plurality of output waveguides 5 connected to the waveguide 4 (for example, see K. Okamoto, Fundamentals of Optical Waveguides, Academic Press, pp. 346-381, 2000).
  • These are configured using an optical waveguide composed of a core having a high refractive index and a cladding around the core formed on a flat substrate 10.
  • the conventional arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit shown in FI G The light guided to the path 1 spreads in the first slab waveguide 2 and is branched to each optical waveguide of the array waveguide 3. Then, the light is multiplexed again by the second slab waveguide 4 and guided to the output waveguide 5. At this time, the optical field pattern projected on the end of the first slab waveguide 2 on the side of the array waveguide 3 is basically copied to the end of the second slab waveguide 4 on the side of the array waveguide 3. Will be.
  • the adjacent optical waveguides are provided so that only the optical waveguides have different optical path lengths, so that the optical field has an inclination depending on the wavelength of the input light. Due to this inclination, the position where the optical field focuses on the output waveguide 5 side of the second slab waveguide 4 is changed for each wavelength, and as a result, wavelength demultiplexing becomes possible.
  • the light of different wavelengths is multiplexed and emitted from the input waveguide 1 due to the reciprocity of light'.ong.
  • Such an arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit is becoming an indispensable optical component in an optical multiplex communication system in which a single optical fiber transmits a plurality of signals having different wavelengths.
  • FIGS. 9A and 9B are configuration diagrams of a conventional passband-magnified arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit. .
  • the conventional passband-expanded arrayed-waveguide grating-type optical multiplexing / demultiplexing circuit is the same as the input waveguide 1 of the conventional arrayed-waveguide grating-type optical multiplexing / demultiplexing circuit shown in FIG.
  • a parabolic parabolic waveguide 6 is provided between the first slab waveguides 2 Configuration. This parabolic waveguide 6 has the coefficient A, W as shown in FIG. 9B. The width of the input waveguide 1, Z.
  • Is the length of the parabolic waveguide 6 from the first slab waveguide 2, and the width W of the input optical waveguide 1 in contact with the first slab waveguide 2 is given by the following formula with respect to the propagation axis Z of the light wave. It is specified by.
  • FI G. 1 OA is a three-dimensional distribution diagram of the optical field in the parabolic waveguide 6 shown in FIG. 9 B
  • FI G. 10 B is the end of the parabolic waveguide 6, that is, FIG. 6 is a two-dimensional distribution diagram of an optical field in the width direction (X direction) of the parabolic waveguide 6 at the boundary between the parapolar waveguide 6 and the first slab waveguide 2.
  • the right part of the position) forms a light field distribution with two peaks.
  • the distribution of the optical field at the boundary where the parabolic waveguide 6 contacts the slab waveguide 2 has a double peak as shown in FIG. 10B. Therefore, at the end of the second slab waveguide 4 on the side of the output waveguide 5, the optical field having the bull peak is reproduced and coupled with the output waveguide 5, so that the transmission wavelength band is expanded. Can be realized.
  • Fig. 11 shows a graph of chromatic dispersion and loss with respect to the wavelength of light in a conventional passband-magnified arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit.
  • the chromatic dispersion with respect to the wavelength of light has a large chromatic dispersion value at the center wavelength, and Assuming that this is the maximum chromatic dispersion value, it can be seen that there is a large change in the wavelengths before and after that.
  • Such chromatic dispersion characteristics give different delay times to the optical signal spectrum components within one channel, causing a problem that the optical signal (pulse) is significantly deteriorated.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide an arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit with reduced chromatic dispersion. Disclosure of the invention
  • An array waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit of the present invention that solves the above-mentioned problems is configured using an optical waveguide composed of a core having a high refractive index on a planar substrate and a cladding around the core, and a plurality of first optical waveguides.
  • An array waveguide including a waveguide, a first slab waveguide connected to the first optical waveguide, and a plurality of optical waveguides connected to the first slab waveguide and sequentially elongated by a predetermined waveguide length difference.
  • a first slab waveguide comprising: a waveguide, a second slab waveguide connected to the array waveguide, and a plurality of second optical waveguides connected to the second slab waveguide.
  • the width W of the first optical waveguide in contact with is a coefficient A
  • Wo is the width of the first optical waveguide, Z with respect to the propagation axis Z of the light wave. Is the length from the first slab waveguide,
  • the width W ′ of the second optical waveguide that is in contact with the second slab waveguide is A, where W is a coefficient with respect to the propagation axis Z of the light wave. 'Is the width of the second optical waveguide, ⁇ . ′ Is the length from the second slab waveguide,
  • the ratio of the amplitude absolute value of the main peak and the first side peak of the far-field electric field distribution of the parabolic waveguide is limited to 0.217.
  • Parabolic waveguide length Z a set to.
  • the parabolic waveguide length Z p which is set so that the relative phase between the main peak and the first side peak of the lower limit is 3.14 radians.
  • Parapolar waveguide length Z within the range defined by. That you set
  • an array waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit of the present invention for solving the above-mentioned problems is characterized in that the optical waveguide is formed of a silica glass optical waveguide on a silicon flat substrate.
  • FIG.1 is a graph showing the amplitude and phase of a general sinc function.
  • FIG. 2 is a graph showing the far-field amplitude and phase of a parabolic waveguide.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the amplitude and phase of the first side peak relative to the main peak and the variable ⁇ indicating the structure of the parabolic waveguide.
  • FIG. 4 is a graph showing a relationship between chromatic dispersion and a variable ⁇ ⁇ indicating the structure of the parabolic waveguide.
  • FIG. 5 5 is a configuration diagram of an arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit showing an example of an embodiment according to the present invention, and is an overall view thereof.
  • FIG. 5B is a configuration diagram of an arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit showing an example of an embodiment according to the present invention, and is a configuration diagram of a parabolic waveguide.
  • FIG. 5C is a configuration diagram of an arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit showing an example of an embodiment according to the present invention, and is a configuration diagram of a tapered waveguide.
  • FIGS. 6A to 6E are diagrams showing the steps of manufacturing the arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit according to the present invention.
  • FI G. 7 A is a para-port of the arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit according to the present invention.
  • La waveguide length Z. 6 is a graph showing a relationship between the wavelength dispersion and the wavelength dispersion.
  • FIG.7B is a graph showing the chromatic dispersion characteristics and the loss of the arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit according to the present invention.
  • FIG.8 is a configuration diagram of a conventional arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit.
  • FIG.9A is a block diagram of a conventional passband expansion array waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit, and is an overall view thereof.
  • FIG.9B is a configuration diagram of a conventional pass-band expanded array waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit, and is a configuration diagram of a parabolic waveguide.
  • FIG.1OA and FIG.10B are optical field distribution diagrams of a parabolic waveguide.
  • FIG.11 is a graph showing the wavelength dispersion characteristics and the loss of the conventional passband expansion array waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit.
  • An arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit has a flat transmission band passband and, in order to achieve low chromatic dispersion, a parabolic waveguide, and furthermore, a parabolic waveguide in the far field. It is desirable that the electric field distribution be rectangular with the same phase. It is known that the amplitude of the far-field electric field distribution of the parabolic waveguide in this case is a sinc function.
  • FIG. 1 is a diagram showing a mathematical expression of a general sinc function below, and showing a graph of amplitude and phase serving as a sinc function.
  • variable ⁇ is the angle (r ad.) Normalized by ⁇ .
  • the amplitude of the sink function has a distribution with a main peak at the center and a plurality of small peaks symmetrically on both sides.
  • the electric field distribution in the far field of an actual parabolic waveguide is shown in the graph in Fig.2.
  • the far-field electric field amplitude of the parabolic waveguide is similar to the sinc function, with two side peaks (first side peak) on both sides of the main peak Distribution.
  • the amplitude indicates an absolute value
  • the angle 0 indicates that the traveling direction (optical axis) of the light wave incident on the parabolic waveguide is 0.
  • the amplitude and phase of the first side peak can be considered as an approximate measure of the sinc function. That is, in the present invention, in the arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit, by defining the electric field distribution in the far field of the parabolic waveguide as an approximate scale with the sinc function, the electric field distribution is made into a rectangular electric field distribution with the same phase, This achieves flat transmission characteristics and low wavelength dispersion.
  • Fig. 3 shows the amplitude of the main peak, the ratio of the amplitude of the first side peak to the phase, and the relative phase in the far-field electric field distribution of the parabolic waveguide as an approximate measure of the sinc function.
  • the near-field image of the parabolic waveguide obtained using the beam propagation method was calculated by Fourier transform. This is because the amplitude of the first side peak when the amplitude of the main peak is 1 is defined as the amplitude ratio, and the difference between the phase of the first side peak and the phase of the main peak is defined as the relative phase.
  • Z of the parabolic waveguide. The value of depends on the transmission characteristics such as the passband and the value of A in FIG. 9B.
  • the amplitude ratio of the sinc function is 0.217 and the relative phase is 3.14.
  • both the amplitude ratio and the relative phase tend to decrease as the value of ⁇ ⁇ increases from FIG.3.
  • the wavelength in an arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit with a parabolic waveguide whose structure is specified by The dispersion characteristics are shown in Fig. 4. This also means that for the wavelength that gives the largest chromatic dispersion in the channel (for example, the wavelength near 1550 nm in FIG. 11), the chromatic dispersion of the parabolic waveguide structure to the variable ⁇ It shows the dependency.
  • the array waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit has a channel spacing of 50 GHz.
  • the chromatic dispersion becomes zero. This value is between 1.5 and 1.8, and as described on page 7, the existence of the best design point can be confirmed.
  • the parameter ⁇ ⁇ that indicates the structure of the parabolic waveguide
  • the far-field electric field distribution of the parabolic waveguide is properly defined, and as a result, the chromatic dispersion value is reduced.
  • the variable ⁇ I the optimal value for reducing chromatic dispersion. Therefore, the conventional parabola waveguide has It is possible to simultaneously realize the broadband characteristics of the transmission wavelength and the low chromatic dispersion characteristics that were not realized simultaneously in the past.
  • chromatic dispersion is derived from the second derivative of the phase angle of the transfer function.
  • variable ⁇ the procedure for deriving the chromatic dispersion can be omitted, so that a guideline for appropriately determining the length of the parabolic waveguide can be given, and the design time in optical circuit manufacturing can be reduced. It can be significantly reduced.
  • FIG. 5G shows a configuration diagram of an arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit which is an example of an embodiment according to the present invention that achieves the above effects, and will be described in detail with reference to the drawings.
  • the array waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit according to the present invention shown in FIG. 5A may have substantially the same configuration as the conventional array waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit shown in FIG. That is, an input waveguide 1 serving as a first optical waveguide, a first slab waveguide 2 connected to the input waveguide 1, and a predetermined waveguide length difference connected to the first slab waveguide 2. , A second slab waveguide 4 connected to the array waveguide 3, and a second optical waveguide connected to the second slab waveguide 4. And an output waveguide 5 serving as a waveguide. These are configured using an optical waveguide formed on a flat substrate 10 and having a high refractive index core and a cladding around the core.
  • the input waveguide 1 may be plural.
  • a parabolic parabolic waveguide 6 is provided between the input waveguide 1 and the first slab waveguide 2.
  • the parabolic waveguide 6 may be the same as that shown in FIG. 9B, where A is a coefficient and W is a coefficient.
  • the width of the input waveguide 1, Z. Is the length of the parabolic waveguide 6 from the first slab waveguide 2, and the width W of the input optical waveguide 1 in contact with the first slab waveguide 2 is given by the following equation with respect to the propagation axis Z of the light wave. (See Fig. 5B). 2003/017065 1 10 1
  • the structure of the parabolic waveguide defined by the above equation (1) is set to be a variable ⁇ with small chromatic dispersion from the graphs shown in FIGS. 3 and 4.
  • the ratio of the amplitude absolute value of the main-peak and the first-side peak of the far-field electric field distribution of the parabolic waveguide is up to 0.217, Z a ,.
  • the relative phase between the main peak and the first side peak of the far-field electric field distribution is Z p , with a lower limit of 3.14 radians.
  • a tapered tapered waveguide 7 is further provided between the second slab waveguide 4 and the output waveguide 5.
  • This tapered waveguide 7 has a coefficient of A ′, W. , And the width of the output waveguide 5, Z. Is the length of the tapered waveguide 7 from the second slab waveguide 4, the width W ′ of the output optical waveguide 5 in contact with the second slab waveguide 4 is given by It is defined by a number and a formula (FI G. 5 C).
  • the glass is made transparent at a high temperature of 1000 ° C. or more, so that the lower clad glass sheet 12 becomes the lower clad glass layer 14 and the core glass soot 13 becomes the core glass 15.
  • the lower clad glass soot 12 and core glass soot 13 are deposited so that the lower clad glass layer 14 is 30 xm thick and the core glass 15 is 7 m thick (FI G.6 B). .
  • an etching mask 16 is formed on the core glass 15 using a photolithography technique (FIG. 6C), and the core glass 15 is patterned by reactive ion etching (FIG. 6D).
  • an optical waveguide having a shape as shown in FIG. 5 is formed.
  • the upper clad glass 17 is formed again by the flame deposition method.
  • the above optical circuit is an example of an embodiment according to the present invention, which shows an arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit in which the optical waveguide is constituted by a silica glass optical waveguide on a silicon flat substrate.
  • the flat substrate the material polyimide of the optical waveguide, silicone emission, semiconductor, but the present invention and the like L i NbO s is applicable.
  • the flat substrate the flat substrate
  • the chromatic dispersion of an arrayed-waveguide grating-type optical multiplexing / demultiplexing circuit designed with a parabolic waveguide length in the range of 250 to 600 im was measured.
  • the parabolic waveguide length Z Q 250 ⁇ m based on the conventional design was used as a reference.
  • F IG. 7 A is parabolic waveguide length Z.
  • ⁇ 1.6, ie, Z.
  • a low chromatic dispersion characteristic of 15 psZnm or less is realized, and the wavelength dispersion with respect to the wavelength is 3 dB.
  • Substantially flattening was possible within the band.
  • This chromatic dispersion is greatly reduced to about 1-4 (about 26%) compared to the dispersion value of 58 ps / nm by the conventional design shown in FIG.4.
  • the present invention can extend the passband of the transmission wavelength of the arrayed waveguide grating type optical multiplexing / demultiplexing circuit, reduce the chromatic dispersion that could not be achieved at the same time in the past, and realize the wavelength to wavelength. Variations in dispersion can be substantially flattened. Furthermore, by giving design guidelines for parabolic waveguides, which were not clear in the prior art, design efficiency can be improved.

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Abstract

本発明は，波長分散を低減したアレイ導波路格子型光合分波回路を提供する。入力導波路(１)と第１のスラブ導波路(２)とアレイ導波路(３)と第２のスラブ導波路(４)と出力導波路(５)が順次接続され，更に，入力導波路(１)と第１のスラブ導波路(２)との間に配置されたパラボラ導波路(６)と第２のスラブ導波路(４)と出力導波路(５)との間に配置されたテーパ導波路(７)とを有し，パラボラ導波路(６)の遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの振幅絶対値の比が０．２１７を上限とするパラボラ導波路長Ｚａ，０と，遠方界の電界分布のメイン・ピークと第１サイド・ピークの相対位相が３．１４ラジアンを下限とするパラボラ導波路長Ｚｐ，０によって定められた範囲Ｚａ，０≦Ｚ０≦Ｚｐ，０にパラボラ導波路長Ｚ０が存在する。

Description

明 細 書 ァレイ導波路格子型光合分波回路 技術分野
本発明は、 光波長多重通信システムに用いるアレイ導波路格子型光合分波器 に関する。 背景技術
現在、 通信容量の拡大のために複数の光波長を用いた光波長多重通信システ ムの開発が盛んである。 この光波長多重通信システムにおいて、 送信機側で複 数の波長の光信号を合波したり、 受信機側で 1本の光ファイバ中の複数の光信 号を異なるポートに分波したりする光波長合分波回路として、 ァレイ導波路格 子型光合分波回路が広く使用されている。
F I G. 8は、 従来のアレイ導波路格子型光合分波回路の構成図である。 F I G. 8に示すように、 従来のアレイ導波路格子型光合分波回路は、 入力導 波路 1と、 入力導波路 1に接続された第 1のスラブ導波路 2と、 第 1のスラブ 導波路 2に接続され、 所定の導波路長差で順次長くなる複数の光導波路からな るアレイ導波路 3と、 アレイ導波路 3に接続された第 2のスラブ導波路 4と、 第 2のスラブ導波路 4に接続された複数の出力導波路 5とを有する （例えば、 K. Okamoto, Fundamentals of Opt ical Waveguides ， Academic Press, pp. 346-381, 2000参照） 。 これら.は、 平面な基板 1 0上に形成された屈折率の高い コアとその回りのクラッドから成る光導波路を用いて構成されている。
F I G. 8に示す従来のアレイ導波路格子型光合分波回路において、 入力導波 路 1に導かれた光は、 第 1のスラブ導波路 2で拡がり、 アレイ導波路 3の各々 の光導波路へ分岐される。 そして、 第 2のスラブ導波路 4で再び合波されて出 力導波路 5へと導かれる。 この時、 第 1のスラブ導波路 2のアレイ導波路 3側 の端部に投射された光フィールドパターンは、 基本的に第 2のスラブ導波路 4 のアレイ導波路 3側の端部にコピーされることになる。
更に、 アレイ導波路 3では、 隣り合う光導波路同士が だけ光路長が異な るように設けられているため、 入力された光の波長に依存して光フィールドが 傾きを持つこととなる。 この傾きによって、 第 2のスラブ導波路 4の出力導波 路 5側において、 光フィールドが焦点を結ぶ位置を波長ごとに変化させ、 その 結果、 波長分波が可能となる。 なお、 出力導波路 5側から光を入射する場合'、' 光の相反性により、 異なる波長の光を合波して入力導波路 1から光を出射する 'こととなる。 „ . このようなアレイ導波路格子型光合分波回路は、 1本の光ファイバに異なる 波長を持つ信号を複数伝送させる光多重通信システムにおいて、 必要不可欠な 光部品となりつつある。
更に、 F I G. 8に示したアレイ導波路格子型光合分波回路の透過波長帯域幅 を拡げたパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の提案も種々行われ ている (例えは、 K. Okamoto and A. Sugi ta, Flat spectral response arrayed - Waveguide grat ing mul t iplexer wi th Parabol ic waveguide horns" , Electronics Let ters, Vol. 32, No. 18, pp. 1661-1662, 1996参照) 。
F I G. 9 A及びF I G. 9 Bは、 従来のパスバンド拡大アレイ導波路格子型 光合分波回路の構成図である。 .
F I G. 9 Aに示すように、 従来のパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分 波回路は、 F I G. 8に示した従来のアレイ導波路格子型光合分波回路の入力導 波路 1と第 1のスラブ導波路 2の間に、 放物線状のパラボラ導波路 6を設けた 構成である。 このパラボラ導波路 6は、 . F I G. 9 Bに示すように、 Aを係数、 W。を入力導波路 1の幅、 Z。を第 1のスラブ導波路 2からのパラボラ導波路 6 の長さとすると、 第 1のスラブ導波路 2に接する入力光導波路 1の幅 Wが、 光 波の伝搬軸 Zに対して、 以下の数式で規定されるものである。
Z =A (W2 - W0 2) - Z。
このようなパラボラ導波路 6を用いた場合、 パラボラ導波路 6が形成する光 フィールドは、 F I G. 1 O A及び F I G. 1 0 Bに示すような分布となる。 F I G. 1 O Aは、 F I G. 9 Bに示したパラボラ導波路 6での光フィールドの 3 次元の分布図であり、 F I G. 1 0 Bは、 パラボラ導波路 6の端部、 即ち、 パ ラポラ導波路 6と第 1のスラブ導波路 2との境界でのパラボラ導波路 6の幅方 向 （X方向） の光フィールドの 2次元の分布図である。
F I G. 1 0 Aに示すように、 入力導波路 1における光フィールドは、 1つの ピークを有しているが、 パラボラ導波路 6においては （F I G. 1 O A中 Z ==— Z。の位置から右側の部分） 、 2つのピ一クを有する光フィールド分布を形成す る。そして、パラボラ導波路 6がスラブ導波路 2と接する境界部分での光フィ一 ルドの分布は、 F I G. 1 0 Bに示すように、ダブルピークを有するものとなる。 したがって、 第 2のスラブ導波路 4の出力導波路 5側の端部でも、 この夕ブル ピークを持った光フィ一ルドが再生されて出力導波路 5と結合するため、 透過 波長帯域の拡大を実現することができる。
しかしながら、 上述したパラボラ導波路を備えた従来のパスバンド拡大ァレ ィ導波路格子型光合分波回路は、 重大な欠点を有していた。 すなわち、 パラポ ラ導波路内の位相分布に起因する大きな波長分散値を有していた。 F I G. 1 1 に、 従来のパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路における光の波長 に対する波長分散及び損失のグラフを示す。 F I G. 1 1から明らかなように、 光の波長に対する波長分散は、 中心波長において大きな波長分散値を有し、 そ こを最大の波長分散値として、 その前後の波長において大きく変化しているこ とが分かる。 このような波長分散特性は、 1つのチャネル内で光の信号スぺク トル成分に異なる遅延時間を与えるため、 光信号 （パルス） の劣化が著しいと いう問題を引き起こしていた。
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、 波長分散を低減したアレイ導波路 格子型光合分波回路を提供することを目的とする。 発明の開示
上記課題を解決する本発明のアレイ導波路格子型光合分波回路は、 平面基板 上の屈折率の高いコアとその回りのクラッドから成る光導波路を用いて構成さ れ、 複数の第 1の光導波路と、 前記第 1の光導波路に接続された第 1のスラブ 導波路と、 前記第 1のスラブ導波路に接続され、 所定の導波路長差で順次長く なる複数の光導波路からなるアレイ導波路と、 前記アレイ導波路に接続された 第 2のスラブ導波路と、 前記第 2のスラブ導波路に接続された複数の第 2の光 導波路とを有し、 前記第 1のスラブ導波路に接する前記第 1の光導波路の幅 W が、 光波の伝搬軸 Zに対して、 Aを係数、 Woを前記第 1の光導波路の幅、 Z。 を前記第 1のスラブ導波路からの長さとすると、
Z =A (W2 -W0 2) — Z 0
前記第 2のスラブ導波路に接する前記第 2の光導波路の幅 W' が、 光波の伝 搬軸 Zに対して、 A， を係数、 W。' を前記第 2の光導波路の幅、 Ζ。' を前記 第 2のスラブ導波路からの長さとすると、
Z =A ' (W 一 W。， ) — Z。，
によって規定されるテ一パ導波路であり、 前記パラボラ導波路の遠方界の電 界分布のメイン ·ピークと第 1サイド · ピークの振幅絶対値の比が 0 . 2 1 7 を上限とするように設定したパラボラ導波路長さ Z a, 。と、 遠方界の電界分布 のメイン ·ピークと第 1サイド ·ピークの相対位相が 3 . 1 4ラジアンを下限 とするよう設定したパラボラ導波路長さ Z p， 。によって定められた範囲にパラ ポラ導波路長さ Z。を設定したこと
2 a , 0 == ^ 0 = ^ p , 0
を特徴とする。
また、 上記課題を解決する本発明のアレイ導波路格子型光合分波回路は、 前 記光導波路が、 シリコンの平面基板上の石英系ガラス光導波路で構成されてい ることを特徴とする。 図面の簡単な説明
F I G. 1は、 一般的な s i n c関数の振幅及び位相を示すグラフである。 F I G. 2は、 パラボラ導波路の遠方界の振幅及び位相を示すグラフである。 F I G. 3は、 メイン ·ピークに対する第 1サイド ·ピークの振幅及び位相と パラボラ導波路の構造を示す変数 ζとの関係を示すグラフである。
F I G. 4は、 波長分散とパラボラ導波路の構造を示す変数 ζとの関係を示す グラフである。
F I G. 5 Αは、 本発明に係る実施形態の一例を示すアレイ導波路格子型光合 分波回路の構成図で、 その全体図である。
F I G. 5 Bは、 本発明に係る実施形態の一例を示すアレイ導波路格子型光合 分波回路の構成図で、 パラボラ導波路の構成図である。
F I G. 5 Cは、 本発明に係る実施形態の一例を示すアレイ導波路格子型光合 分波回路の構成図で、 テーパ導波路の構成図である。
F I G. 6 A〜F I G. 6 Eは、 本発明に係るアレイ導波路格子型光合分波回 路の製造工程を示す図である。
F I G. 7 Aは、 本発明に係わるアレイ導波路格子型光合分波回路のパラポ ラ導波路長さ Z。と波長分散の関係を示すグラフである。
F I G.7Bは、 本発明に係るアレイ導波路格子型光合分波回路の波長分散特 性及び損失を示すグラフである。
F I G.8は、 従来のアレイ導波路格子型光合分波回路の構成図である。 F I G.9 Aは、 従来のパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の構 成図で、 その全体図である。
F I G.9 Bは、 従来のパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の構 成図で、 パラボラ導波路の構成図である。
F I G.1 OA及び F I G.10Bは、 パラボラ導波路の光フィールドの分布 図である。
F I G.11は、 従来のパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の波 長分散特性及び損失を示すグラフである。 発明を実施するための最良の形態
アレイ導波路格子型光合分波回路において、 平坦な透過特性のパスバンドを 有し、 更に、 低波長分散であるためには、 パラボラ導波路を有し、 更に、 その パラボラ導波路の遠方界の電界分布が等位相で矩形であることが望ましい。 こ の場合のパラボラ導波路の遠方界の電界分布の振幅は、 s i nc関数になるこ とが知られている。
図 1は、 一般的な s i nc関数の数式を以下に示し、 s i n c関数となる振 幅及び位相のグラフを示す図である。
G (| ) = s i nc (π ξ) = s i n (π ξ ) /% ξ
ここで、 変数 ξは角度 （r ad. ) を πにより規格化したものである。
F I G.1に示すように、 s i nc関数となる振幅は、 中心にメイン 'ピーク を有し、 その両側に対称的に複数の小さいピークを有する分布となる。 また、 s i n c関数は実関数で、 虚部がゼロであるため位相面は等しくなる。 すなわ ち、位相は変数 ξ = 0近傍に平坦な位相（等位相）部分を有する矩形波となる。 一方、 実際のパラボラ導波路の遠方界の電界分布は、 F I G. 2に示すグラフ となる。 F I G. 2に示すように、パラボラ導波路の遠方界の電界分布の振幅は、 s i n c関数に類似しており、 メイン ·ピークの両側に 2つのサイド ·ピーク (第 1サイド ·ピーク） が存在する分布となる。 又、 位相は角度 0 = 0近傍に 略平坦な位相部分を有する分布となる。 なお、 F I G. 2のグラフにおいて、 振 幅は絶対値を示し、 角度 0はパラボラ導波路に入射する光波の進行方向 （光軸) を 0としたものである。
F I G. 1及び F I G. 2の比較からわかるように、理想的な電界分布、即ち、 等位相で矩形状の電界分布とするには、 実際のパラボラ導波路の遠方界の電界 分布において、 そのメイン ·ピークの振幅、 位相を基準として、 第 1サイド · ピークの振幅、 位相を、 s i n c関数との近似尺度として考えればよい。 つま り、 本発明は、 アレイ導波路格子型光合分波回路において、 パラボラ導波路の 遠方界の電界分布を s i n c関数との近似尺度として規定することにより、 等 位相で矩形状の電界分布とし、 平坦なパスパンドの透過特性及び低波長分散を 実現するものである。
F I G. 3には、 パラボラ導波路の遠方界の電界分布において、 メイン ·ピー クの振幅、 位相に対する第 1サイド ·ピークの振幅比、 相対位相を s i n c関 数との近似尺度として示す。 具体的には、 ビーム伝搬法を用いて得られたパラ ボラ導波路の近視野像をフーリエ変換することによって算出した。 これは、 メ ィン ·ピークの振幅を 1とした場合の第 1サイド ·ピークの振幅を振幅比とし、 メイン ·ピークの位相に対する第 1サイド ·ピークの位相の差を相対位相とし て、 変数 ζに対してそれぞれプロットしたものである。 この変数 ζは、 パラポ ラ導波路の構造を示すパラメ一夕であり、 従来のパラボラ導波路の設計値の長 さが ζ = 1となるように規格化したものである。 F I G. 3では Z。=2 5 0 mとした。 なお、 パラボラ導波路の Z。の値はパスバンドなどの透過特性、 更に は、 F I G 9 Bの Aの値に依存する。
F I G. 1より、 s i n c関数の振幅比は 0. 217であり、相対位相は 3. 14である。 一方、 F I G. 3より ζの値が増大するにつれて振幅比、 相対位 相は共に減少する傾向にある。 ζ = 1の従来設計の値を s i ne関数の理想値 に近づけるためには、 振幅比の観点より ζを 1. 5近傍にする必要がある。 ま た、 相対位相の観点からは、 ζを 1. 8近傍にする必要がある。 したがって、 両者を完全に s i n c関数の理想値に完全に一致させることは出来ないが、 概 ね、 ζの値を 1. 5から 1. 8の間に最良の設計点があると考えられる。
そこで、 変数 ζに対する波長分散の最良の設計点を確認するため、 ζにより 構造が特定されたパラボラ導波路を有し、 パスバンドが拡大されたアレイ導波 路格子型光合分波回路での波長分散特性を F I G. 4に示す。又、 これは、 チヤ ネル内で最も大きな波長分散を与える波長 （例えば、 F I G. 11中の 1 5 5 0 nm付近の波長） について、 パラボラ導波路の構造を示す変数 ζへの波長分散 の依存性を示したものである。なお、このアレイ導波路格子型光合分波回路は、 チャネル間隔が 50 GHzである。
F I G. 4のグラフに示すように、 変数 ζを 1. 6にすると波長分散はゼロ になる。 この値は、 1. 5から 1. 8の間であり、 7ページに記述の通り最良 の設計点の存在が確認できる。 つまり、 パラボラ導波路の構造を示す変数 ζを 適切に設定することで、 パラボラ導波路の遠方界の電界分布を適切に規定する こととなり、 結果的に波長分散値が低減されることを意味する。 具体的には、 「振幅比で 0. 217を上限とする ζ」 と 「相対位相で 3. 14を下限とする ζ」 によって定められた条件の下で （F I G. 3参照） 、 変数 ζが波長分散を 低減する最適な値となる。 したがって、 従来からパラボラ導波路が有していた 透過波長の広帯域特性と、 従来は同時に実現することがなかった低波長分散特 性とを、 同時に実現することができる。
更に、 従来は、 波長分散を導出するためには、 アレイ導波路格子型光合分波 回路全体を数値計算等によって解析し、 その伝達関数の位相角の 2階微分より、 波長分散を導出していた。 しかし、 本発明では、 変数 ζを用いることにより、 波長分散を導出する手順が省略できるため、 パラボラ導波路の長さを適 に決 定する指針を与えることができ、 光回路製造における設計時間を大幅に短縮す ることができる。
F I G. 5 Αに、 上記効果を実現する本発明に係る実施形態の一例となるァレ ィ導波路格子型光合分波回路の構成図を示し、 図面を参照して詳細に説明する。
F I G. 5 Aに示す本発明に係るアレイ導波路格子型光合分波回路は、 F I G 8に示した従来のアレイ導波路格子型光合分波回路と略同等の構成でよい。 即 ち、 第 1の光導波路となる入力導波路 1と、 入力導波路 1に接続された第 1の スラブ導波路 2と、 第 1のスラブ導波路 2に接続され、 所定の導波路長差で順 次長くなる複数の光導波路からなるアレイ導波路 3と、 アレイ導波路 3に接続 された第 2のスラブ導波路 4と、 第 2のスラブ導波路 4に複数接続された第 2 の光導波路となる出力導波路 5とを有する。 これらは、 平面な基板 1 0上に形 成された屈折率の高いコアとその回りのクラッドから成る光導波路を用いて構 成されている。 なお、 入力導波路 1は複数でもよい。
また、 入力導波路 1と第 1のスラブ導波路 2の間に、 放物線状のパラボラ導 波路 6を設けてある。 このパラボラ導波路 6も、 F I G. 9 Bに示したものと同 等のものでよく、 Aを係数、 W。を入力導波路 1の幅、 Z。を第 1のスラブ導波 路 2からのパラボラ導波路 6の長さとすると、 第 1のスラブ導波路 2に接する 入力光導波路 1の幅 Wが、 光波の伝搬軸 Zに対して、 以下の数式で規定される ものである （F I G. 5 B参照） 。 2003/017065 一 10一
Z =A (W2 -W0 2) — Z。 · · · ( 1 )
伹し、 0≥Z≥— Z。であり、 A> 0である。
伹し、 本発明では、 上記数式 （1 ) に規定されるパラボラ導波路の構造を、 F I G. 3及び F I G. 4に示したグラフより、 波長分散の小さい変数 ζになる ように Ζ。を設定する。 つまり、 パラボラ導波路の遠方界の電界分布のメイン · ピークと第 1サイド ·ピークの振幅絶対値の比が 0 . 2 1 7を上限とする Z a， 。と、遠方界の電界分布のメイン ·ピークと第 1サイド ·ピークの相対位相が 3 . 1 4ラジアンを下限とする Z p, 。によって定められた範囲にパラボラ導波路長 Z。が存在すること
ん a, 0 == Z Q = P ) o
が条件となる。
また、 本発明に係るアレイ導波路格子型光合分波回路では、 第 2のスラブ導 波路 4と出力導波路 5との間に、 更に、 テーパ状のテーパ導波路 7を設けてあ る。 このテーパ導波路 7は、 A ' を係数、 W。， を出力導波路 5の幅、 Z。， を 第 2のスラブ導波路 4からのテーパ導波路 7の長さとすると、 第 2のスラブ導 波路 4に接する出力光導波路 5の幅 W' が、 光波の伝搬軸 Zに対して、 以下の 数,式で規定されるものである （F I G. 5 C) 。
Z =A ' (W — W。， ) — Z。，
但し、 0≥Z≥— Ζ。' であり、 Α≥0である。 '
なお、 上記テーパ導波路は、 A' = 0の場合、 つまり、 テ一パ導波路の傾き が 0である平行な光導波路を含み、 必ずしもテ一パ形状である必要はない。 次に、 本発明に係る光回路の導波路の作製方法を、 F I G. 6 A〜F I G. 6 Eを用いて簡単に説明する。
平面基板となるシリコン基板 1 1上に火炎堆積法で S i〇2 を主体にした下 部クラッドガラススート 1 2、 S i〇2 に G e〇2 を添加したコアガラススート 2003/017065
- 11 -
13を堆積する （F I G.6 A) 。
その後、 1000°C以上の高温でガラス透明化を行い、 下部クラッドガラス ス一ト 12は下部クラッドガラス層 14となり、 コアガラススート 13はコア ガラス 15となる。 この時に、 下部クラッドガラス層 14は 30 xm厚、 コア ガラス 15は 7 m厚となるように、 下部クラッドガラススート 12、 コアガ ラスス一ト 13の堆積は行われている （F I G.6 B) 。
引き続き、 フォトリソグラフィ技術を用いてコアガラス 15上にエッチング マスク 16を形成し （F I G.6 C) 、 反応性イオンエッチングによってコアガ ラス 15のパターン化を行う （F IG.6D) 。 ここで、 FIG.5に示すよう な形状の光導波路を形成することとなる。
エッチングマスク 16を除去した後、 上部クラッドガラス 17を再度火炎堆 積法で形成する。 上部クラッドガラス 17には B203や P205などのドーパン トを添加してガラス転移温度を下げ、 パターン化されたコアガラス 15同士の 狭い隙間にも上部クラッドガラス 17が入り込むようにしている （F I G.6 E) 。
上記光回路は、 本発明に係る実施形態の一例として、 光導波路がシリコンの 平面基板上の石英系ガラス光導波路で構成されているアレイ導波路格子型光合 分波回路を示したものであるが、 その光導波路の材料がポリイミド、 シリコー ン、 半導体、 L i NbOsなどであっても本発明は適用可能である。 また、 平面 基板も
シリコンに限定するものではない。
F IG. 4に示した波長分散の ζ依存性を実際に検証するため、 パラボラ導 波路長さを 250〜600 imの範囲で設計したアレイ導波路格子型光合分波 回路の波長分散を測定した。 ここで、 従来設計によるパラボラ導波路長 ZQ= 2 50 ^mを基準とした。 F IG. 7 Aはパラボラ導波路長さ Z。と波長分散の関 係を示す。 ZQ=40 O^m、 すなわち、 ζ = 1. 6において波長分散は略ゼロ になることが確認された。
本発明に基づいて ζ = 1. 6、 すなわち、 Z。=l. 6x250 = 400 m として設計したパラボラ導波路を有するチャネル間隔 5 OGHzのアレイ導波 路格子型光合分波回路の波長分散特性及び損失を F I G. 7 Bに示す。 F I G. 7 Bに示すように、 本発明に係るアレイ導波路格子型光合分波回路では、 一 1 5 p sZnm以下の低波長分散特性が実現されると共に、 波長に対する波長分 散を 3 dB帯域内で略平坦化することもできた。 この波長分散は、 F I G.4に 示した従来設計による分散値一 58 p s/nmと比較して、 略 1ノ4 (約 2 6%) まで大きく低減されている。 産業上の利用可能性
本発明は、 アレイ導波路格子型光合分波回路の透過波長のパスバンドを拡大 すると共に、 従来同時に達成することができなかった波長分散の低減を実現す ることができ、 又、 波長に対する波長分散のばらつきも略平坦化することがで きる。 更に、 従来技術において明らかでなかったパラボラ導波路の設計指針を 与えることによって、 設計の効率化を図ることもできる。

Claims

請 求 の 範 囲
1. 平面基板上に、 複数の第 1の光導波路と、 前記第 1の光導波路に接続さ れた第 1のスラブ導波路と、 前記第 1のスラブ導波路に接続され、 所定の導波 路長差で順次長くなる複数の光導波路からなるアレイ導波路と、 前記アレイ導 波路に接続された第 2のスラブ導波路と、 前記第 2のスラブ導波路に接続され た複数の第 2の光導波路とを配置してなるアレイ導波路格子型光合分波回路に おいて、
前記第 1のスラブ導波路に接する前記第 1の光導波路の幅 Wが、 光波の伝搬 軸 Zに対して、 Aを係数、 W。を前記第 1の光導波路の幅、 Z。を前記第 1のス ラブ導波路からの長さとすると、
Z=A (W2-W0 2) -Z0
によって規定されるパラボラ導波路であり、
前記第 2のスラブ導波路に接する前記第 2の光導波路の幅 W' が、 光波の伝 搬軸 Zに対して、 A' を係数、 W。， を前記第 2の光導波路の幅、 Ζ。' を前記 第 2のスラブ導波路からの長さとすると、
Z=A' (W， 一 W。， ) 一 Z。，
によって規定されるテ一パ導波路であり、
前記パラボラ導波路の遠方界の電界分布のメイン ·ピークと第 1サイド ·ピー クの振幅絶対値の比が 0. 217を上限とする Za, 。と、 遠方界の電界分布の メイン'ピ一クと第 1サイド ·ピークの相対位相が 3. 14ラジアンを下限と する Zp， 。によって定められた範囲に前記長さ Z。を設定したこと
ム a, 0 = ^ 0— ^ p, 0
を特徴とするァレイ導波路格子型光合分波回路。
2 . 請求項 1に記載のァレイ導波路格子型光合分波回路において、 前記各導波路は、 シリコンの平面基板上の石英系ガラス光導波路であること を特徴とするァレイ導波路格子型光合分波回路。
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