WO2005114280A1

WO2005114280A1 - 光合分波器

Info

Publication number: WO2005114280A1
Application number: PCT/JP2005/009130
Authority: WO
Inventors: Kouichi Suzuki
Original assignee: Nec Corporation
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2005-12-01
Also published as: JP2007286077A

Abstract

　波長変動や製造プロセス変動に対するトレランスを高め、ハイΔ化しても大型化することのないようにするとともに、平坦化帯域の高帯域化を図る。　入力光導波路１０１と、出力光導波路１０２と、導波路アレイ１０７と、入力側カプラー導波路１０５と、出力側カプラー導波路１０６と、入力側接続部導波路１０３と、出力側接続部導波路１０４とを有するＡＷＧにおいて、入力側接続部導波路１０３は、０次モード光と１次モード光とを混合させるモード混合部とモード間の干渉を行わせるモード干渉部とを有するモード変換導波路１０８によって構成し、出力側接続部導波路１０４は、テーパ導波路１０９によって構成する。

Description

明細書

光合分波器

技術分野

[0001] 本発明は、波長多重（WDM : Wavelength Division Multiplex)伝送システムにおいて、所望のチャネルだけを取り出すことができる光波長合分波器に関し、特にアレイ導波路型回折格子 (AWG : Arrayed Waveguide Grating)型の光合分波器に関するものである。

背景技術

[0002] 近年の通信需要の拡大に伴!、、大容量、長距離伝送に適した DWDM (Dense

Wavelength Division Multiplex)を用いた光通信システムが広く使われるようになってきた。 DWDMシステムのキーコンポーネントとして、 AWG素子のような導波路型光機能素子の需要が増している。 AWGは、入力側力も出力側に向力つて、入力導波路、入力側カプラー導波路、導波路アレイ、出力側カプラー導波路、出力導波路を順に接続して構成される光機能素子である。 AWGは、チャネル数に依らず、同一プ口セス、同一工程数で作製することができ、また原理的に損失増加などの特性劣化もないので、多チャネルィ匕において、波長多重伝送のキーデバイスとして使われている

[0003] 図 1は、 AWGの帯域特性を示す特性図であって、縦軸は光強度、横軸は波長を示す。通常、 AWGの帯域特性は、図 1に示すようなガウシアン形状になっている。そのため、光源の波長が変動すると、光源からの光の波長が AWGの帯域力もずれて伝送損失が増大する問題が発生する。

[0004] また、帯域特性がガウシアン形状の AWGを何段もカスケード接続した場合、全体の帯域特性は、各 AWGの帯域特性が重なり合わされたものとなり、帯域特性が狭窄化してしまう。例えば、図 2に示すように AWGを 2段にカスケード接続した場合は、全体の帯域特性は、 1段目の AWGの帯域特性と 2段目の AWGの帯域特性とが重なり合わされたものとなる。このようなカスケード接続による帯域特性の狭窄ィ匕は、良好な伝送帯域の維持を困難にする。 [0005] そこで、 AWGの平坦な帯域特性を実現して、カスケードに AWGを接続した場合でも、最終的に平坦なままの広帯域な伝送特性が維持できるようにする手法が試みられている（特開 2002— 311264号公報（図 34および図 35、第 4段落〜第 9段落)参照)。図 3に、平坦な帯域特性を有する AWGを 2段にカスケード接続した場合の帯域特性を示す。この場合、全体の帯域特性は、 1段目の AWGの帯域特性と 2段目の A WGの帯域特性とが重なり合わされたものとなるが、各 AWGは、平坦な帯域特性を有するので、重なり合わされた帯域特性も平坦な特性のものとなる。

[0006] 上記のような平坦な帯域特性を有する AWGを実現できれば、伝送路の中継器での分波と合波ができるようになるため、図 4に示すような OADM(Optical Add Drop Multiplexing)などの用途が開けてくる。図 4に示す OADMは、複数の入力光を合波する第 1の AWGと、この第 1の AWGの出力光を分波する第 2の AWGと、この第 2の AWGの出力光の一部と外部力の供給光（「add」として示した矢印）とを合波する第 3の AWGと、この第 3の AWGの出力光を複数の出力光に分波する第 4の AWGとからなる。第 2の AWGの残りの出力光は「drop」光として外部に供給される。

[0007] また、 AWGを形成する材料として石英を用いた光素子の場合、約 0.01nm/°Cの温度係数を持つ。このような光素子においては、素子の温度を一定に保って、透過波長を固定する方式がとられている。その代表的なものに、ヒータなどを用いて素子の温度を制御することで、素子の中心波長を制御する方式がある。しかし、この方式では、ヒータなどを駆動するための電力供給が必要であり、し力も高精度かつ動的に温度制御を行う技術が必要になる。 AWGの帯域特性が平坦である場合、素子の中心波長が温度によって多少ずれても、それが伝送特性に影響しないようにすることができる。このため、平坦な帯域特性を有する AWGにおいては、波長制御機構が不要となる、または波長制御機構を簡略ィ匕することができるので、通信システムの低コストィ匕および低消費電力化が可能である。

[0008] 図 5Aおよび図 5Bは、 AWGの帯域特性を平坦ィ匕するために従来より採用されている入力導波路のカプラー導波路への接続部の構成を示す概略図である。図 5Aおよび図 5Bに示す接続部はいずれも、伝播光のモード変換の行われる領域である。図 5 Aに示す例では、入力導波路 11は、ノラボリック導波路 12を介してカプラー導波路に接続される。図 5Bに示す従来例は、 MMI (Multi-mode Interference)方式と呼ばれるものであって、この例では、入力導波路 21は矩形導波路 22を介してカプラー導波路に接続される。

[0009] 而して、上述したような導波路素子において、低コストィ匕ゃ高機能化を図るために、素子サイズの小型化が重要である。素子サイズの小型化には、導波路のコア (屈折率 nl)とクラッド (屈折率 n2)の比屈折率差 Δ ( =nl— n2)を大きくする手法が有効である。この手法を採用して、素子の開発が幅広く進められている。比屈折率差 Δを大きくすると、導波路への光の閉じ込めを強くできるため、曲り導波路の最小曲げ半径など、各導波路の要素を小さくでき、素子サイズを小型化することができる。特に、光の閉じ込めの効果を利用して、図 5Aおよび図 5Bに示した接続部導波路 (パラボリック導波路 12、矩形導波路 22)の幅 Wおよび間隔 (ピッチ)を狭くすることができる。一般に、比屈折率差 Δが 0. 5%の場合、カプラー導波路との接続部での入出力導波路間隔は、 30 m程度必要となるが、比屈折率差 Δが 1. 5%の場合は、入出力導波路間隔を 10 m程度にまで縮小することができる。 AWGのような回折格子を原理としたデバイスでは、同一の特性のとき、入出力導波路間隔とカプラー導波路長は比例関係にあるため、入出力導波路間隔を 1/3にすることができれば、カプラー長も 1/3にすることができる。したがって、入力導波路間隔 (および出力導波路間隔)を小さくすることは、素子サイズの縮小と、う観点から極めて重要である。

発明の開示

[0010] ところが、従来、 AWGの帯域特性の平坦ィ匕に用いられてきた、緩慢な変化のパラボリックテーパの導波路を用いる方法では、テーパ化構造の導波路の終端での光強度分布を平坦ィ匕に最適な光強度分布に変化させる必要があるが、そのような変化を小型の AWGの小さな領域において行うことは難しい。これは、ノラボリック導波路 12 の導波路幅 Wが小さくなるためにモード変換に必要とされる十分な空間周波数を確保できないためである。このため、パラボリックテーパの導波路を用いる場合は、導波路幅 Wを従来の AWGと同じ程度の幅とする必要があり、その結果、素子サイズが大型化してしまう。一方、極めて急峻な変換構造を用いてモード変換を行う MMI方式では、極めて微妙な光変化を利用するため、製造時に特性がばらついてしまい、歩留まりよく帯域特性の平坦ィ匕を実現することができない。このようなことから、安定した製作が可能で、小型化と帯域の平坦ィ匕を両立することのできる、 AWGの設計手法が求められている。

[0011] また、従来の AWGの帯域特性の平坦化の手法は、基本的に 1次モードと 0次モードの結合を利用しているため、 ldB帯域幅において、チャネル帯域のうち 50%程度までしか平坦ィ匕することができなかった。この問題は、従来のどの AWGの平坦化の手法においても同様に生じる。

[0012] また、最近、 CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)用の AWGの開発が進められている力この CWDM用の波長フィルタの平坦帯域として 65%程度が要求されており、従来の AWGではそのような平坦帯域の実現は困難であった。

[0013] 本発明は、上述した従来技術の問題点を解決することを課題とする。

[0014] 本発明の第 1の目的は、波長変動やプロセス変動に対するトレランス特性を改善した帯域平坦化 AWGを提供することである。

[0015] 本発明の第 2の目的は、ハイ Δ化によって帯域平坦化 AWGが大型化してしまうことのなヽようにして、平坦化特性を有するハイ Δ化小型 AWGを実現できるようにすることである。

[0016] 本発明の第 3の目的は、 CWDMにも対応できるように、平坦帯域がチャネル帯域の 50%を超える AWGを提供することである。

[0017] 上記の目的を達成するため、本発明によれば、第 1および第 2カプラー導波路と、一端が入力導波路に接続され、他端が前記第 1カプラー導波路の光入力端面に接続された一またはそれ以上の入力側接続部導波路と、一端が出力導波路に接続され、他端が前記第 2カプラー導波路の光出力端面に接続された一またはそれ以上の出力側接続部導波路と、前記第 1および第 2カプラー導波路間に配列された導波路であって、互いに長さの異なる複数のチャネル導波路と、を備え、前記入力側接続部導波路と出力側接続部導波路とのうち少なくとも一方は、モード変換および干渉が生起されカプラー導波路との接続部での光強度が極小値ないしその近辺の値となるようにその長さが設定されているモード変換導波路により構成されていることを特徴とする光合分波器、が提供される。 [0018] そして、好ましくは、前記モード変換導波路がモード混合領域とモード干渉領域によって構成される。また、好ましくは、前記入力または出力導波路の光伝搬方向の中心と前記モード変換導波路の光伝搬方向の中心とがずれている。また、好ましくは、前記入力または出力導波路の光伝搬方向が、前記モード変換導波路の光伝搬方向に対して傾いている。

[0019] 本発明の光合分波器は、導波路アレイと接続される入力側/出力側それぞれの力ブラー導波路に入 ·出力導波路より幅広の接続部導波路を接続したものであって、入力側/出力側の少なくとも一方の接続部導波路は、モード間の混合および干渉の行われるモード変換導波路により構成されており、そのモード変換導波路の長さが伝搬モード間の干渉が丁度安定する長さになって!/、ることを特徴とする。光の波動が安定している領域を用いることによって、製造トレランスの高い、波長変動に強い AWG を実現できる。また、従来より長さの短いモード混合部において、急峻な導波路構造変化を利用して急激な波面変動を発生させてモード混合を行っているために、ハイ Δによる小型化したサイズを維持したままで帯域特性の平坦ィ匕を実現できる。また、本発明の構造により、高次のモードを組み合わせての帯域平坦化 AWGを実現することが可能となり、従来の平坦化 AWGの平坦帯域が 50%程度を上限としていたのに対し、より広帯域の平坦化 AWGを実現できる。

図面の簡単な説明

[0020] [図 1]ガウス型の帯域特性を有する AWGの特性を示すグラフ。

[図 2]ガウス型帯域特性 AWGをカスケードに接続して得られる帯域特性を示すグラフ

[図 3]平坦ィ匕帯域特性 AWGをカスケードに接続して得られる帯域特性を示すグラフ

[図 4]平坦化帯域特性 AWGの応用例を示すブロック図。

[図 5A]従来の入力側接続部導波路の一例を示す平面図。

[図 5B]従来の入力側接続部導波路の他の例を示す平面図。

[図 6]本発明の一実施の形態を示す平面図。

[図 7]図 6の入力側接続部導波路の部分の拡大図。 [図 8]図 6の出力側接続部導波路の部分の拡大図。

[図 9]本発明の一実施の形態の部分断面図。

[図 10]モード変換導波路のモード混合部長 λを変化させたときのカプラー導波路との結合部での光強度分布を示すグラフと全体の帯域特性を示すグラフ。

[図 11]モード変換導波路での光強度分布を示す図。

[図 12A]本発明の一実施の形態のモード変換導波路のモード干渉部の変更例を示す平面図。

[図 12B]本発明の一実施の形態のモード変換導波路のモード干渉部の他の変更例を示す平面図。

[図 13]AWGの帯域特性図における IdB帯域幅、 3dB帯域幅およびチャネル間ァイソレーシヨンを説明する図。

[図 14]モード変換導波路幅 Wとテーパ導波路幅 W をパラメータとする、実施の形態の AWGの IdB帯域幅を示すグラフ。

[図 15]モード変換導波路幅 Wとテーパ導波路幅 W をパラメータとする、実施の形態の AWGの 3dB帯域幅を示すグラフ。

[図 16]モード変換導波路幅 Wとテーパ導波路幅 W をパラメータとする、実施の形態の AWGの過剰損失を示すグラフ。

[図 17]モード変換導波路幅 Wとテーパ導波路幅 W をパラメータとする、実施の形態の AWGのチャネル間アイソレーションを示すグラフ。

[図 18]本発明の他の実施の形態での入力側接続部導波路と出力側接続部導波路のカプラー導波路との結合部での光強度分布と全体の AWG帯域特性を示すグラフ

[図 19A]本発明の他の実施の形態のモード変換導波路の一例を示す平面図。

[図 19B]本発明の他の実施の形態のモード変換導波路の他の例を示す平面図。

[図 19C]本発明の他の実施の形態のモード変換導波路の他の例を示す平面図。

[図 20]本発明の実施例 1の帯域特性を示すグラフ。

符号の説明

1 シリコン基板 2 SiO膜

2

3 コア層

4 クラッド、層

11、 21 入力導波路

12 ノラボリック導波路

22 矩形導波路

101 入力光導波路

102 出力光導波路

103 入力側接続部導波路

104 出力側接続部導波路

105 入力側カプラー導波路

106 出力側カプラー導波路

107 導波路アレイ

108 モード変換導波路

109 テーパ導波路

110 モード混合部

111 モード干渉部

L モード変換導波路長

P モード変換導波路間隔

W モード変換導波路幅

Ρ' テーパ導波路間隔

テーパ導波路幅

X モード混合部長

Λ カプラー導波路長

発明を実施するための最良の形態

[0022] 次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

[0023] 図 6は、本発明の光合分波器の一実施の形態を示す平面図である。図 6に示すように、本実施の形態の光合分波器は、それぞれ波長え 1、 λ 2、 · · ·、 λ 40の光が伝播する入力光導波路 101と、同様に波長え 1、ぇ2、 · ··、 λ 40の光が伝播する出力光導波路 102と、それぞれ長さおよび曲率の異なる複数の導波路力なる導波路ァレィ 107と、導波路アレイ 107の入力側に接続された入力側カプラー導波路 105と、導波路アレイ 107の出力側に接続された出力側カプラー導波路 106と、入力光導波路 101と入力側カプラー導波路 105との間に接続された入力側接続部導波路 103と、出力光導波路 102と出力側カプラー導波路 106との間に接続された出力側接続部導波路 104とを有している。ここで、入力側カプラー導波路 105は、カプラー導波路長 Λを有している。

[0024] 入力側接続部導波路 103は、図 6中の拡大図に示されるように、入力光導波路 10 1ごとに設けられたモード変換導波路 108からなる。モード変換導波路 108は、間隔 Ρで配列されており、入力側カプラー導波路 105側で幅 Wを有する。

[0025] 出力側接続部導波路 104は、図 6中の拡大図に示されるように、出力光導波路 10 2ごとに設けられたテーパ導波路 109からなる。テーパ導波路 109は、間隔！ ^ で配列されており、出力側カプラー導波路 106側で幅 W を有する。

[0026] 図 7、図 8は、それぞれモード変換導波路 108とテーパ導波路 109を更に拡大して示した図である。図 7に示されるように、モード変換導波路 108は、 0次モード光と 1次モード光との混合が行われるモード混合部 110と、その混合されたモード間の干渉が行われるモード干渉部 111とを有している。モード混合部 110の長さ λとその形状は、 0次モード光と 1次モード光との混合比が適切に調整されるように選定されている。モード変換導波路 108の長さ Lは、干渉により光強度が最低となる位置に設定されている。テーパ導波路 109は、図 8に示されるように、緩やかな傾斜のテーパを有しており、その幅 W はモード変換導波路幅 Wより狭い。テーパ導波路 109においては、緩やかな傾斜のテーパ形状であるため、モード変換は行われない。

[0027] 本実施の形態の光合分波器の構造において、入力側にテーパ導波路を、出力側にモード変換導波路を配置するようにしてもよい。あるいは、入力側および出力側の双方にモード変換導波路を配置するようにしてもよ、。

[0028] 図 6に示される本実施の形態の光合分波器は、シリコン基板上に形成された AWG よりなる。図 9は、モード変換導波路の断面状態を示す部分断面図である。シリコン基板 1上に SiO膜 2が形成されており、この SiO膜 2上に、光導波路を構成するコア層

2 2

3が形成されている。コア層 3は、 SiONによりなる。 SiO膜 2上に形成されたコア層 3

2

は、 SiOによりなるクラッド層 4により被覆されている。材料選択により、比屈折率差 Δ

2

の高い（比屈折率差 Δ力 l.5%以上) AWGを実現することができる。 SiO膜 2、コア

2 層 3およびクラッド層 4は、例えば火炎堆積法や CVD法を用いて作製することができる。ここでは、比屈折率差 Δを 1.5%以上にすることをノヽィ Δ化と呼ぶ。また、比屈折率差 Δが 1.5%以上のものをノ、ィ Δ導波路と呼ぶ。

[0029] この AWGは、チャネル数を 40、分波間隔を 0. 8nm(100GHz、 1. 55 m)として構成されている。コア層 3とクラッド層 4の比屈折率差 Δが 1. 5%となるように AWGを構成すると、導波路の曲げ半径を小さくすることができる。具体的には、比屈折率差 Δが 0.5%の場合、導波路の曲げ半径が 8mm程度となるのに対して、比屈折率差 Δ が 1. 5%の場合は、導波路の曲げ半径は 2mm程度になる。このようにハイ Δ導波路によれば、導波路の曲げ半径を小さくすることができるため、チップサイズを 1/5から 1/10に縮小することができる。

[0030] また、モード変換導波路 108を、形状変化の急激なモード混合部 110とモード干渉部 111とにより構成したことにより、ハイ Δ導波路を採用しても、モード変換導波路の幅 Wを例えば 14 mといった、従来の半分またはそれ以下の幅とすることができる。

[0031] ノ、ィ Δ導波路による小型化の効果は、もう一つある。一般に、 PLC (Planer

Lightwave Circuit)のハイ Δ化を行うと、光導波路へ光が閉じ込められる割合が大きくなるため、導波路ピッチ (図 6における" Ρ"、 "Ρ' ")を縮小して AWGのサイズの小型化を図ることができる。導波路ピッチは、比屈折率差 Δ力も決定しており、近接させすぎたときには、隣の導波路へ光が漏れてしまい、その結果、光のクロストーク (アイソレーシヨン）特性が悪化してしまう。一般に、隣接チャネルとのアイソレーションは 30dB 以上必要とされているため、導波路ピッチの設定は重要である。モード変換導波路 1 08の導波路間隔 Pは、カプラー導波路 105の長さ Λと比例関係にあるので、ハイ Δ ィ匕によりカプラー長の短縮、延いては AWGのサイズ小型化が可能である。この AW Gのサイズ小型化により、 8インチウヱハーの場合であれば、素子の収量を 20個から 30個に拡大することができる。 [0032] AWGの平坦な帯域特性を実現するためには、モード変換導波路 108の最終端（モード変換導波路 108のカプラー導波路 105との結合部）での光強度分布が、分布の中心部分で凹んだ形状（図 10の光強度分布の中央上部の形状参照）になって!/、る必要ある。これは、 AWGの帯域特性力モード変換導波路 108と入力側カプラー導波路 105の間の結合部分での光強度分布と、テーパ導波路 109と出力側力ブラ一導波路 106の間の結合部分での光強度分布との畳み込み積分によって決定されるために、出力側が例えば図 8に示されるような通常のストレートテーパ導波路であれば、出力側のカプラー導波路との接続部での光強度分布がガウス型となるからである。本実施の形態においては、モード変換導波路の出力部での光強度分布が、中心部が凹んだ形状になるように、モード変換導波路 108を、幅を充分に拡大したモード干渉部 111とその幅までモード変換を行うモード混合部 110の二つの領域により構成している。これにより、コンパクトなサイズの AWGにおいて、帯域の平坦化が実現される。

[0033] 比屈折率差 Δを 1. 9%と仮定し、出力側のテーパ導波路の幅 W を 8. O /z mとし、入力側のモード変換導波路の幅 Wを 12. O ^ m,間隔 Pを 15. O ^ m,モード変換導波路長 Lを光強度の最低点の 110 mに設定した AWGにおける、モード混合長 λを変化させた場合の入力側カプラーとの結合部での光強度分布と AWG帯域特性との計算結果を図 10に示す。また、モード混合長えを適切に選定すると共に、モード変換導波路長 Lを干渉の底が複数回現れるように長く設定し、他の条件を上記と同じにした場合のモード変換導波路での光強度分布を ΒΡΜ解析法 (Beam Propagation Method)で解析した結果を図 11に示す。

[0034] 図 10において、上段にはカプラー導波路との結合部での光強度分布が、下段には全体の帯域特性が示されている。図 10の上段の左の光強度分布、中央の光強度分布はそれぞれモード混合長 X力 20 μ mの場合、 45 μ mの場合のものである。 20 μ mの場合、 45 /z mの場合のいずれも、光強度分布は、二つの山がたった形となっているが、それぞれの山の高さ（谷の深さ）が異なっている。このことから、モード混合長 λによって、 0次モードと 1次モードの混合比率が変化することがわかる。図 10の下段に示されるように、モード混合長 λが 20 mの場合には、光強度分布の谷が深すぎることを反映して、 AGW帯域特性の中央部に凹みができる。モード混合長えが 45 mの場合には、平坦な特性が得られているので、モード混合が適切に行われたことが分かる。一方、図 10の右側に示されるように、モード混合長が 100 /z mの場合には、光強度分布は 1山にしかならないので、帯域特性はガウス型となる。すなわち、モード混合長 λが長い場合には 2山の立つ光強度分布を得るのに必要なモードの混合が行われないことが分かる。なお、以上は、出力側にテーパ導波路を配置した場合を示したものであつたが、入力側の接続部導波路を本発明により提案されたモード変換導波路として出力側をストレートテーパ構造としても同様な効果を得る事ができる。

[0035] 図 11において、図中の曲線は等強度線を示し、梨子地部分は光強度の低い領域を示している。入力光導波路 101において、導波路中央部に集中していた伝播光は、モード混合部 110に入射すると回折して広がる同時に、 0次モード光に 1次モード光が混合される。次いで、モード干渉部 111を伝播しモード間の干渉により光強度の底 (Α—Α線、 C— C線の部分）と頂上 (Β— Β線の部分）とが交互に現れる。本発明は、光強度が極小値をとるところをモード変換導波路の最終端と定めるものであるので、Α— Α線ないし C— C線の位置がカプラー導波路との結合部となる。

[0036] 本発明において、モード変化導波路長 Lを光強度が最低値となる位置に設定して V、る理由は、光強度が最低値を示す部分で光強度分布の進行方向変化微分値が 0 になるので、製造時に屈折率、導波路幅や導波路長に変動が起きても光強度分布に与える変化は少なくなり、良好な製造トレランスが得られるからである。モード変換導波路の長さ Lは、導波路の幅 Wと導波路材料の屈折率より決まるものであり、後述の式により与えられる。ここで、モード干渉部 111に求められる機能は、モード間の干渉が生起されることであるので、モード干渉部 111の形状は必ずしもストレート形状である必要はなぐ例えば図 12Aおよび図 12Bに示すような波形ないし山形の形状であってもよい。

[0037] 入力側カプラー導波路との結合部が干渉の谷となる導波路長 Lは、モード変換領域で 0次および 1次モード光を使用する場合は、

[0038] [数 1]

により決められる。ここで、 β は 0次モードの伝搬定数、 β は 1次モードの伝搬定数

0 1

である。また、 ηは周期的に表れる干渉の底の順番を示す数で、 0または自然数である。なお、この式では、モード混合部を含む全モード変換導波路の伝搬定数が一定であると仮定して、る。モード混合部の伝搬定数をモード干渉部のそれと区別した方力いと考えられる場合、あるいはモード干渉部が図 12Aおよび図 12Bに示されるような一定幅を有する導波路でな、場合には、導波路 Lは、

[0039] [数 2] + )= ) Α ( の関係を満たすものとなる。なお、図 11の A— A線、 C— C線はそれぞれ数 1または数 2において n=0、 n= lとなる位置を示している。

[0040] また、 0次モード光とより高次モード光とを混合させる場合には、上記の 2式はモード数を Nとして下記の 2式となる。

[0041] [数 3]

L _T = I f \ \ 2π

« +—

+1〖 2j fi₀ -

[0042] [数 4]

なお、図 7に示すモード変換導波路の場合、実際にはモード混合長えを変化させてもモード変換導波路長 Lはほとんど変化しないので、以下のような、数 1に基づいて決定されたモード変換導波路をもつ AWGの帯域特性にっヽての評価を行う。 AWG の特性は、図 13に示す IdB帯域幅、 3dB帯域幅、隣接チャネルとのアイソレーションにより評価する。 ldB (3dB)帯域幅は、帯域中心での光強度から IdB (3dB)に落ちるまでの帯域幅であり、アイソレーションは、隣接チャネルからの強度クロストークである。ここで、導波路の比屈折率差 Δを 1. 5%、入'出力導波路間隔 Ρ、 Ρ' をそれぞれ 15 mとし、選択できるパラメータを入力側導波路幅 W、出力導波路幅 W 、モード混合部長 λの 3つとしてモード変換導波路長 Lを決定する。しかし、 3つのパラメータのうちモード混合部長えに関しては、帯域特性が平坦になる長さは両導波路幅が決まれば一意に決定されるので、実際には、両導波路幅の二つのパラメータによりモード変換導波路の形状が決定される。なお、導波路間隔 Ρ、 Ρ' を 15 mとしており、隣接導波路との間には安定して作製可能なプロセス精度により決まる 1 m程度のギャップを設ける必要があるので、入'出力導波路幅 W、 W' の最大値は 14 μ mとなる。

[0043] 図 14は、入力側導波路幅 Wと出力側導波路幅 W を変化させたときの ldB帯域幅をプロットし、同一帯域幅を連結して作成したグラフである。この場合のチャネル間隔は 0. 8nmであるから、 ldB帯域幅が 0. 4nmであるということは、チャネル帯域の 5 0%に ldBの平坦性があるということになる。ここで、 50%の ldB平坦度を目標とすると、図 14の右下の部分で良好な特性が得られることが分かる。図 15は、 3dB帯域幅をプロットし、同一帯域幅を連結したグラフである。この場合、 75%を目標帯域幅とすると、 0. 6nm帯域幅となるのでグラフの右側が条件を満たすことになる。図 16は、過剰損失 (平坦ィ匕特性を得るための損失)をプロットし、同一損失点を連結して作成したグラフである。図 16から、過剰損失は右下に行くほど増大することが分かる。図 17 は、隣接チャネルとのアイソレーションをプロットし同一アイソレーション点を連結して作成したグラフである。図 17において、梨子地にて示した領域が 50%の ldB帯域と 75%の 3dB帯域と 30dBのアイソレーション特性の 3つについて、ノランスを取れる領域が示されており、この領域を選択することで、平坦化された帯域を持つアイソレーシヨン特性の優れた AWGを実現できる。

[0044] 以上は、 1次モード光を利用して平坦ィ匕特性を得るものであった力 2次モード以上の高次導波路モードを用いて設計することで、さらに平坦性の高い AWGを開発することができる。図 18は、入力側接続部導波路を 0次モードと 2次モードとの混合が行われるモード変換導波路、出力側接続部導波路をモード変換の行われなヽテーパ導波路とした場合の、それぞれの導波路のカプラー導波路との結合部での光強度分布と全体の帯域特性を示すグラフである。入力側に 1次モード光を利用する場合には、 ldB帯域幅 50%が限度であった力 2次モード光を利用する場合には、出力側の接続部がストレートテーパであれば 66%の広い ldB帯域幅を実現することができる。これによつて、例えばチャネル間隔が 20nmの AWGの場合、 13nm以上での Id B平坦性を確保することができる。このスペックは、 CWDM用のフィルタとして必要とされるスペックであり、このような機能が実現できることは産業上極めて有用である。

[0045] 図 19A〜図 19Cに、 0次モード光と 2次モード光とを混合させることのできるモード変換導波路の例を示す。図 19Aに示す例では、入力光導波路 101の光伝播方向の中心線がモード変換導波路 108の光伝播方向の中心線力もずれている。図 19Bに示す例では、入力光導波路 101の光伝播方向がモード変換導波路 108の光伝播方向に対して傾いている。さらに、図 19Cに示す例では、入力光導波路 101の光伝播方向がモード変換導波路 108の光伝播方向に対して傾くと共に、入力光導波路 101 の中心線がモード変換導波路 108の中心線力もずれている。

実施例 1

[0046] シリコン基板上に熱酸化法により膜厚 3 μ mの SiO膜を形成し、その上に CVD法

2

により膜厚 4 の SiO膜を形成した。続いて、 CVD法により膜厚 4 111の SiON膜

2

を堆積し、フォトリソグラフィ法によりパターユングして、入'出力光導波路、入力側のモード変換導波路となるコア層および出力側のテーパ導波路をそれぞれ形成した。入'出力光導波路幅は 4 mである。コア層は、モード混合部長 λが 45nm、モード変換導波路長 Lが 120 m、幅 Wが 13 /ζ πι、間隔 Ρが 15 mとなるように形成した。出力側のテーパ導波路は、導波路長が 120 m、幅 W 力^ / z m、間隔！ ^ 力 15 m、カプラー長 Λが 2mm、導波路アレイでの最小曲率半径が 2mmとなるように形成した。これら導波路の形成後、その上にクラッド層となる SiO膜を 4 mの膜厚に堆

2

積して、比屈折率差 Δが 1. 6%の導波路を形成した。こうして形成された AWGについて、帯域特性を測定した。その 1チャネル分の特性を図 20に示す。図 20から、 0. 6nm以上の 3dB帯域幅と 30dBの隣接アイソレーションを実現していることが読みとれる。

Claims

請求の範囲

[1] 第 1および第 2カプラー導波路と、一端が入力導波路に接続され、他端が前記第 1 カプラー導波路の光入力端面に接続された一またはそれ以上の入力側接続部導波路と、一端が出力導波路に接続され、他端が前記第 2カプラー導波路の光出力端面に接続された一またはそれ以上の出力側接続部導波路と、前記第 1および第 2カブラー導波路間に配列された導波路であって、互いに長さの異なる複数のチャネル導波路と、を備え、前記入力側接続部導波路と出力側接続部導波路との内少なくとも一方は、モード変換および干渉が生起されカプラー導波路との接続部での光強度が極小値な!/、しその近辺の値となるようにその長さが設定されて、るモード変換導波路により構成されてヽることを特徴とする光合分波器。

[2] 前記モード変換導波路がモード混合領域とモード干渉領域によって構成されてヽることを特徴とする請求項 1に記載の光合分波器。

[3] 前記モード混合領域は、導波路幅力カプラー導波路に向力つて広がる形状変化導波路によって構成され、前記モード干渉領域は、導波路幅が一定のストレート導波路によって構成されていることを特徴とする請求項 2に記載の光合分波器。

[4] 前記入力または出力導波路の光伝搬方向の中心と前記モード変換導波路の光伝搬方向の中心とがずれていることを特徴とする請求項 1から 3のいずれかに記載の光合分波器。

[5] 前記入力または出力導波路の光伝搬方向が、前記モード変換導波路の光伝搬方向に対して傾、て、ることを特徴とする請求項 1から 4の、ずれかに記載の光合分波

[6] 前記入力側接続部と出力側接続部とのうち、モード変換導波路によって構成されて!、な、方の接続部ではモード変換が生起されな、ことを特徴とする請求項 1から 5 の！ヽずれかに記載の光合分波器。

[7] 前記入力側接続部導波路と出力側接続部導波路とのうち、モード変換導波路により構成されて、な、方の接続部はストレートテーパ形状の導波路によって構成されて V、ることを特徴とする請求項 1から 6の、ずれかに記載の光合分波器。

[8] 前記第 1および第 2カプラー導波路、前記入力側接続部導波路および出力側接続部導波路、並びに、前記複数のチャネル導波路は、基板上に膜導波路として形成されて、ることを特徴とする請求項 1から 7の、ずれかに記載の光合分波器。

[9] 前記第 1および第 2カプラー導波路、前記入力側接続部および出力側接続部、並びに、前記複数のチャネル導波路は、シリコン基板上に SiONをコア材料として SiO

2 をクラッド材料として形成されて、ることを特徴とする請求項 1から 7の、ずれかに記載の光合分波器。

[10] モード変換導波路の全長 Lが、

[数 1]

²小 n 1

+ b r ⁼ ( ― を満たす長さもしくはその近傍の長さであることを特徴とする請求項 1から 9のいずれかに記載の光合波器 (但し、 ηは 0または自然数、 Νは自然数、 13 0、 |8 1は 0次モードと 1次モードの伝搬定数)。

[11] モード変換導波路の全長 Lが、

[数 2]

で与えられる力もしくはその近傍の長さであることを特徴とする請求項 1から 9のいずれかに記載の光合分波器 (但し、 ηは 0または自然数、 Νは自然数、 /3 0、 β ΐは 0次モードと 1次モードの伝搬定数)。