光合分波器
【課題】 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る。ハイΔ化しても大型化することのないようにする。平坦化帯域の高帯域化。
【解決手段】 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。
【解決手段】 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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は波長多重（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い大容量、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いる。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、入力側から出力側に向かって、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ロセス、同一工程数で作製でき、原理的にも損失増加などの特性劣化がないので、チャネル数がより多チャネル化になった場合に波長多重伝送のキーデバイスとして使われている。
【０００３】
ここで通常ＡＷＧの帯域特性は図１６に示すようにガウシアン形状になっている。そのため光源の波長がずれると損失が変動してしまう問題が発生する。またガウシアン形状のＡＷＧを図１７のように何段もカスケードに接続すると、帯域特性が掛け算で重なり合わさるため帯域特性が狭窄化していってしまい伝送帯域が維持できなくなってしまう。そこで図１８に示すように平坦な帯域特性を実現して、カスケードにＡＷＧを接続していっ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（例えば、特許文献１参照）。このような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１９に示すようなＯＡＤＭ(Optical Add Drop Multiplexing) などの用途が開けてくる。
またＡＷＧを形成する材料として石英を用いた場合、約0.01ｎｍ/℃の温度係数を持つため光素子の温度を一定に保ち透過波長を固定する方式がとられている。しかしヒータなどを用いて中心波長を制御する方式では電力供給が必要であり高精度の動的制御技術が必要になる。ここでＡＷＧの帯域特性が平坦であることで多少波長がずれても伝送特性に影響が発生しないようにすることができる。このため波長制御機構が不要または簡略化する事ができ低コスト化と低消費電力化が実現できる。
【０００４】
図２０（ａ）、（ｂ）は、ＡＷＧの帯域特性を平坦化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。これらの接続部は、伝播光のモード変換の行われる領域であって、図２０（ａ）に示す例では、入力導波路１１はパラボリック導波路１２を介してカプラー導波路に接続される。図２０（ｂ）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。
【０００５】
而して、このような導波路素子の低コスト化や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。小型化の手法として導波路のコア（屈折率ｎ１）とクラッド（屈折率ｎ２）の比屈折率差Δ（＝ｎ１−ｎ２）を大きくする手法が有効であり幅広く開発が進められている。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２０に示される接続部導波路（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、Δ＝0.5％ではカプラー導波路との接続部での入出力導波路間隔は30μｍ程度が必要となるがΔ＝1.5％では10μｍ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サイズ縮小の観点から極めて重要である。
【０００６】
ところが、従来ＡＷＧの帯域特性の平坦化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、テーパ化構造導波路終端での光強度分布を小型ＡＷＧの小さな領域で平坦化に最適な光強度分布に変化させることが難しい。これはパラボリック導波路１２の導波路幅Ｗが小さくなったためにモード変換に必要な十分な空間周波数を確保できないためである。このため、従来のパラボリックテーパの導波路を用いた場合には幅Ｗは従来のＡＷＧと同じ程度とる必要があり、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平坦化を実現することができない。このため安定して製作可能であり、小型化と帯域の平坦化を両立できるＡＷＧの設計手法が求められている。
また従来のＡＷＧ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たためチャネル帯域のうち５０％程度までしか平坦化することができなかった（1ｄＢ帯域幅において）。これは従来のどの手法を用いた平坦ＡＷＧでも同様である。最近ＣＷＤＭ(Coarse Wavelength Division Multiplex)用のＡＷＧの開発が進められているがＣＷＤＭ用の波長フィルタの平坦帯域は６５％程度が要求されており、従来のＡＷＧでは実現が困難であった。
【特許文献１】特開２００２−３１１２６４号（図３４、３５、段落［０００４］〜［０００９］
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、第１に、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。第２に、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いようにして、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。第３に、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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【発明の効果】
【００１０】
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/出力側それぞれのカプラー導波路に入・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なされている。そして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い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化を実現できる。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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。図１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１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λ１、λ２、…、λ４０の光が伝播する入力光導波路１０１と、同様に波長λ１、λ２、…、λ４０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からなる導波路アレイ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、Λのカプラー導波路長を有している。
入力側接続部導波路１０３は、拡大図に示されるように、モード変換導波路１０８によって構成されており、モード変換導波路１０８は入力側カプラー導波路１０５側でＷで示される幅を有し間隔Ｐをもって配列されている。また、出力側接続部導波路１０４は、テーパ導波路１０９によって構成されておりテーパ導波路１０９は出力側カプラー導波路１０６側でＷ′で示される幅を有し間隔Ｐ′をもって配列されている。
【００１２】
図２、図３は、それぞれモード変換導波路１０８とテーパ導波路１０９を更に拡大して示す図である。図２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おり、またモード変換導波路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。また、テーパ導波路１０９は、図３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より狭くなされている。テーパ導波路１０９においては緩やかな変化のためモード変換は行われない。
本実施の形態に変更を加えて、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い。
【００１３】
図１に示される本実施の形態のＡＷＧはシリコン基板上に形成されている。図４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。光導波路を構成するコア層３は、シリコン基板１上に形成されたＳｉＯ２膜２上にＳｉＯＮにより形成されており、ＳｉＯ２により形成されたクラッド層４により被覆されている。この材料選択により高い比屈折率差Δ（＝1.5％以上）を実現している。ＳｉＯ２膜２やコア層３やクラッド層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。
【００１４】
このＡＷＧは、チャネル数を４０、分波間隔を0.8ｎｍ(100ＧＨｚ、1.55μｍ)として構成されている。ここで、ＡＷＧがΔ＝1.5％のハイΔにより構成されていることにより、導波路の曲げ半径を例えばΔ＝0.5％の場合の8ｍｍ程度から2ｍｍ程度と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。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幅Ｗを例えば14μｍと従来の半分ないしそれ以下とすることができる。またハイΔ導波路による小型化の効果はもう一つあり、一般にＰＬＣ（Planer Lightwave Circuit）の高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１における“Ｐ”、“Ｐ′”)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から決定しており、近接させすぎたときには隣の導波路へ光が漏れてしまうため光のクロストーク（アイソレーション）特性が悪化してしまう。隣接チャネルとのアイソレーションは30ｄＢ以上が一般に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１０８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り８インチウェハーからの収量を２０個から３０個に拡大することができる。
【００１５】
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）での光強度分布が中心部分の凹んだ形状（図５の中央上参照）になっている必要ある。これは、ＡＷＧの帯域特性がモード変換導波路１０８−入力側カプラー導波路１０５間結合部分での光強度分布とテーパ導波路１０９−出力側カプラー導波路１０６間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ところ、出力側が例えば図３に示されるような通常のストレートテーパー導波路であれば出力側のカプラー導波路接続部での光強度分布は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とするために、モード変換導波路１０８を、幅を充分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で帯域の平坦化が実現される。
【００１６】
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8.0μｍとし、入力側のモード変換導波路の幅Ｗを12.0μｍ、間隔Ｐを15.0μｍ、モード変換導波路長Ｌを光強度の最低点の１１０μｍに設定すると共に、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５に示す。また、モード混合長λ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ＢＰＭ解析法 (Beam Propagation Method) で解析した結果を図６に示す。
【００１７】
図５の上段にはカプラー導波路との結合部での光強度分布を、下段には全体の帯域特性を示す。図の上段に示されるように、モード混合長が２０μｍの場合と、４５μｍの場合には、二つの山がたった形となっており、それぞれ山の高さ（谷の深さ）異なっていることによりモード混合部長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。モード混合長が２０μｍの場合には、光強度分布の谷が深すぎることを反映して帯域特性の中央部に凹みができる。モード混合長が４５μｍ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、右に示されるモード混合長が１００μｍの場合には、光強度分布が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ったが、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。
【００１８】
図６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り同時に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（Ａ−Ａ線、Ｃ−Ｃ線の部分）と頂上（Ｂ−Ｂ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、Ａ−Ａ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。
【００１９】
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いるのは、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、その形状は必ずしもストレートである必要はなく、例えば図７（ａ）、（ｂ）に示すような波形ないし山形のモード干渉部１１１であってもよい。
【００２０】
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、
【００２１】
【数１】
により決められる。ここで、β０は０次モードの伝搬定数、β１は１次モードの伝搬定数である。またｎ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ことが仮定されている。モード混合部の伝搬定数をモード干渉部のそれとを区別した方がよいと考えられるとき、あるいはモード干渉部が図７（ａ）、（ｂ）に示されるように一定幅を有する導波路でない場合には、導波路Ｌは、
【００２２】
【数２】
の関係を満たすものとなる。なお、図６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＝１となる位置を示している。
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２式はモード数をＮとして下記の２式となる。
【００２３】
【数３】
【００２４】
【数４】
【００２５】
なお、図２に示すモード変換導波路の場合、実際にはモード混合長λ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の帯域特性についての評価を行う。ＡＷＧの特性は、図８に示す１ｄＢ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。１ｄＢ（３ｄＢ）帯域幅は帯域中心での光強度から１ｄＢ（３ｄＢ）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Ｐ、Ｐ′をそれぞれ15μｍとし、選択できるパラメータとして入力側導波路幅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λ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Ｐ、Ｐ′を15μｍ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より決まる１μｍ程度のギャップをおく必要があるので、入・出力導波路幅Ｗ、Ｗ′の最大値は14μｍとなる。
【００２６】
図９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1ｄＢ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1dB帯域幅が0.4ｎｍであるということはチャネル帯域の５０％に1ｄＢの平坦性があるということになる。ここで、５０％の1ｄＢ平坦度を目標とすることにすると、図９の右下の部分で良好な特性が得られることが分かる。図１０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１１は、過剰損失（平坦化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１１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１２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１２において梨子地にて示した領域が50％の１ｄＢ帯域と75％の３ｄＢ帯域と30ｄＢのアイソレーション特性の３つがバランスを取れる領域を示しており、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ョン特性の優れたＡＷＧを実現できる。
【００２７】
以上は１次モード光を利用して平坦化特性を得るものであったが、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１３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い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、1ｄＢ帯域幅50％が限度であったが、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1ｄＢ帯域幅を実現することができる。これによって例えばチャネル間隔が20ｎｍのAWGの場合13ｎｍ以上での1ｄＢ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。
【００２８】
図１４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１４（ａ）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からずれている。図１４（ｂ）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１４（ｃ）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の中心線からずれている。
【実施例１】
【００２９】
シリコン基板上に熱酸化法により膜厚３μｍのＳｉＯ２膜を形成しその上にＣＶＤ法により膜厚４μｍのＳｉＯ２膜を形成した。続いて、ＣＶＤ法により膜厚４μｍのＳｉＯＮ膜を堆積し、フォトリソグラフィ法によりパターニングして、入・出力光導波路を幅４μｍに、入力側のモード変換導波路となるコア層を、モード混合部長λ：45ｎｍ、モード変換導波路長Ｌ：１２０μｍ、幅Ｗ：13μｍ、間隔Ｐ：15μｍ、出力側のテーパ導波路を、導波路長：１２０μｍ、幅Ｗ′：７μｍ、間隔Ｐ′：15μｍ、カプラー長Λ：２ｍｍ、導波路アレイでの最小曲率半径：２ｍｍ、にそれぞれ形成した。その上にクラッド層となるＳｉＯ２膜を４μｍの膜厚に堆積して、Δ：1.6％の導波路を形成した。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１５に示す。図１５から読みとれるように、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。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施の形態を示す平面図。
【図２】図１の入力側接続部導波路の部分の拡大図。
【図３】図１の出力側接続部導波路の部分の拡大図。
【図４】本発明の一実施の形態の部分断面図。
【図５】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６】モード変換導波路での光強度分布を示す図。
【図７】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８】ＡＷＧの帯域特性図における1ｄＢ帯域幅、3ｄＢ帯域幅およびチャネル間アイソレーションを説明する図。
【図９】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1ｄＢ帯域幅を示すグラフ。
【図１０】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１１】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１２】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１３】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１４】本発明の他の実施の形態のモード変換導波路の例を示す平面図。
【図１５】本発明の実施例1の帯域特性を示すグラフ。
【図１６】ガウス型の帯域特性を有するＡＷＧの特性を示すグラフ。
【図１７】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１８】平坦化帯域特性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１９】平坦化帯域特性ＡＷＧの応用例を示すブロック図。
【図２０】従来の入力側接続部導波路の平面図。
【符号の説明】
【００３１】
１ シリコン基板
２ ＳｉＯ２膜
３ コア層
４ クラッド層
１１、２１ 入力導波路
１２ パラボリック導波路
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
Ｐ′ テーパ導波路間隔
Ｗ′ テーパ導波路幅
λ モード混合部長
Λ カプラー導波路長
【技術分野】
【０００１】
この発明は波長多重（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い大容量、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いる。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、入力側から出力側に向かって、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ロセス、同一工程数で作製でき、原理的にも損失増加などの特性劣化がないので、チャネル数がより多チャネル化になった場合に波長多重伝送のキーデバイスとして使われている。
【０００３】
ここで通常ＡＷＧの帯域特性は図１６に示すようにガウシアン形状になっている。そのため光源の波長がずれると損失が変動してしまう問題が発生する。またガウシアン形状のＡＷＧを図１７のように何段もカスケードに接続すると、帯域特性が掛け算で重なり合わさるため帯域特性が狭窄化していってしまい伝送帯域が維持できなくなってしまう。そこで図１８に示すように平坦な帯域特性を実現して、カスケードにＡＷＧを接続していっ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（例えば、特許文献１参照）。このような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１９に示すようなＯＡＤＭ(Optical Add Drop Multiplexing) などの用途が開けてくる。
またＡＷＧを形成する材料として石英を用いた場合、約0.01ｎｍ/℃の温度係数を持つため光素子の温度を一定に保ち透過波長を固定する方式がとられている。しかしヒータなどを用いて中心波長を制御する方式では電力供給が必要であり高精度の動的制御技術が必要になる。ここでＡＷＧの帯域特性が平坦であることで多少波長がずれても伝送特性に影響が発生しないようにすることができる。このため波長制御機構が不要または簡略化する事ができ低コスト化と低消費電力化が実現できる。
【０００４】
図２０（ａ）、（ｂ）は、ＡＷＧの帯域特性を平坦化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。これらの接続部は、伝播光のモード変換の行われる領域であって、図２０（ａ）に示す例では、入力導波路１１はパラボリック導波路１２を介してカプラー導波路に接続される。図２０（ｂ）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。
【０００５】
而して、このような導波路素子の低コスト化や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。小型化の手法として導波路のコア（屈折率ｎ１）とクラッド（屈折率ｎ２）の比屈折率差Δ（＝ｎ１−ｎ２）を大きくする手法が有効であり幅広く開発が進められている。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２０に示される接続部導波路（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、Δ＝0.5％ではカプラー導波路との接続部での入出力導波路間隔は30μｍ程度が必要となるがΔ＝1.5％では10μｍ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サイズ縮小の観点から極めて重要である。
【０００６】
ところが、従来ＡＷＧの帯域特性の平坦化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、テーパ化構造導波路終端での光強度分布を小型ＡＷＧの小さな領域で平坦化に最適な光強度分布に変化させることが難しい。これはパラボリック導波路１２の導波路幅Ｗが小さくなったためにモード変換に必要な十分な空間周波数を確保できないためである。このため、従来のパラボリックテーパの導波路を用いた場合には幅Ｗは従来のＡＷＧと同じ程度とる必要があり、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平坦化を実現することができない。このため安定して製作可能であり、小型化と帯域の平坦化を両立できるＡＷＧの設計手法が求められている。
また従来のＡＷＧ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たためチャネル帯域のうち５０％程度までしか平坦化することができなかった（1ｄＢ帯域幅において）。これは従来のどの手法を用いた平坦ＡＷＧでも同様である。最近ＣＷＤＭ(Coarse Wavelength Division Multiplex)用のＡＷＧの開発が進められているがＣＷＤＭ用の波長フィルタの平坦帯域は６５％程度が要求されており、従来のＡＷＧでは実現が困難であった。
【特許文献１】特開２００２−３１１２６４号（図３４、３５、段落［０００４］〜［０００９］
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、第１に、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。第２に、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いようにして、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。第３に、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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【発明の効果】
【００１０】
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/出力側それぞれのカプラー導波路に入・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なされている。そして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い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化を実現できる。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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。図１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１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λ１、λ２、…、λ４０の光が伝播する入力光導波路１０１と、同様に波長λ１、λ２、…、λ４０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からなる導波路アレイ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、Λのカプラー導波路長を有している。
入力側接続部導波路１０３は、拡大図に示されるように、モード変換導波路１０８によって構成されており、モード変換導波路１０８は入力側カプラー導波路１０５側でＷで示される幅を有し間隔Ｐをもって配列されている。また、出力側接続部導波路１０４は、テーパ導波路１０９によって構成されておりテーパ導波路１０９は出力側カプラー導波路１０６側でＷ′で示される幅を有し間隔Ｐ′をもって配列されている。
【００１２】
図２、図３は、それぞれモード変換導波路１０８とテーパ導波路１０９を更に拡大して示す図である。図２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おり、またモード変換導波路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。また、テーパ導波路１０９は、図３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より狭くなされている。テーパ導波路１０９においては緩やかな変化のためモード変換は行われない。
本実施の形態に変更を加えて、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い。
【００１３】
図１に示される本実施の形態のＡＷＧはシリコン基板上に形成されている。図４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。光導波路を構成するコア層３は、シリコン基板１上に形成されたＳｉＯ２膜２上にＳｉＯＮにより形成されており、ＳｉＯ２により形成されたクラッド層４により被覆されている。この材料選択により高い比屈折率差Δ（＝1.5％以上）を実現している。ＳｉＯ２膜２やコア層３やクラッド層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。
【００１４】
このＡＷＧは、チャネル数を４０、分波間隔を0.8ｎｍ(100ＧＨｚ、1.55μｍ)として構成されている。ここで、ＡＷＧがΔ＝1.5％のハイΔにより構成されていることにより、導波路の曲げ半径を例えばΔ＝0.5％の場合の8ｍｍ程度から2ｍｍ程度と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。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幅Ｗを例えば14μｍと従来の半分ないしそれ以下とすることができる。またハイΔ導波路による小型化の効果はもう一つあり、一般にＰＬＣ（Planer Lightwave Circuit）の高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１における“Ｐ”、“Ｐ′”)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から決定しており、近接させすぎたときには隣の導波路へ光が漏れてしまうため光のクロストーク（アイソレーション）特性が悪化してしまう。隣接チャネルとのアイソレーションは30ｄＢ以上が一般に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１０８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り８インチウェハーからの収量を２０個から３０個に拡大することができる。
【００１５】
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）での光強度分布が中心部分の凹んだ形状（図５の中央上参照）になっている必要ある。これは、ＡＷＧの帯域特性がモード変換導波路１０８−入力側カプラー導波路１０５間結合部分での光強度分布とテーパ導波路１０９−出力側カプラー導波路１０６間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ところ、出力側が例えば図３に示されるような通常のストレートテーパー導波路であれば出力側のカプラー導波路接続部での光強度分布は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とするために、モード変換導波路１０８を、幅を充分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で帯域の平坦化が実現される。
【００１６】
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8.0μｍとし、入力側のモード変換導波路の幅Ｗを12.0μｍ、間隔Ｐを15.0μｍ、モード変換導波路長Ｌを光強度の最低点の１１０μｍに設定すると共に、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５に示す。また、モード混合長λ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ＢＰＭ解析法 (Beam Propagation Method) で解析した結果を図６に示す。
【００１７】
図５の上段にはカプラー導波路との結合部での光強度分布を、下段には全体の帯域特性を示す。図の上段に示されるように、モード混合長が２０μｍの場合と、４５μｍの場合には、二つの山がたった形となっており、それぞれ山の高さ（谷の深さ）異なっていることによりモード混合部長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。モード混合長が２０μｍの場合には、光強度分布の谷が深すぎることを反映して帯域特性の中央部に凹みができる。モード混合長が４５μｍ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、右に示されるモード混合長が１００μｍの場合には、光強度分布が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ったが、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。
【００１８】
図６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り同時に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（Ａ−Ａ線、Ｃ−Ｃ線の部分）と頂上（Ｂ−Ｂ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、Ａ−Ａ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。
【００１９】
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いるのは、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、その形状は必ずしもストレートである必要はなく、例えば図７（ａ）、（ｂ）に示すような波形ないし山形のモード干渉部１１１であってもよい。
【００２０】
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、
【００２１】
【数１】
により決められる。ここで、β０は０次モードの伝搬定数、β１は１次モードの伝搬定数である。またｎ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ことが仮定されている。モード混合部の伝搬定数をモード干渉部のそれとを区別した方がよいと考えられるとき、あるいはモード干渉部が図７（ａ）、（ｂ）に示されるように一定幅を有する導波路でない場合には、導波路Ｌは、
【００２２】
【数２】
の関係を満たすものとなる。なお、図６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＝１となる位置を示している。
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２式はモード数をＮとして下記の２式となる。
【００２３】
【数３】
【００２４】
【数４】
【００２５】
なお、図２に示すモード変換導波路の場合、実際にはモード混合長λ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の帯域特性についての評価を行う。ＡＷＧの特性は、図８に示す１ｄＢ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。１ｄＢ（３ｄＢ）帯域幅は帯域中心での光強度から１ｄＢ（３ｄＢ）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Ｐ、Ｐ′をそれぞれ15μｍとし、選択できるパラメータとして入力側導波路幅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λ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Ｐ、Ｐ′を15μｍ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より決まる１μｍ程度のギャップをおく必要があるので、入・出力導波路幅Ｗ、Ｗ′の最大値は14μｍとなる。
【００２６】
図９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1ｄＢ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1dB帯域幅が0.4ｎｍであるということはチャネル帯域の５０％に1ｄＢの平坦性があるということになる。ここで、５０％の1ｄＢ平坦度を目標とすることにすると、図９の右下の部分で良好な特性が得られることが分かる。図１０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１１は、過剰損失（平坦化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１１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１２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１２において梨子地にて示した領域が50％の１ｄＢ帯域と75％の３ｄＢ帯域と30ｄＢのアイソレーション特性の３つがバランスを取れる領域を示しており、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ョン特性の優れたＡＷＧを実現できる。
【００２７】
以上は１次モード光を利用して平坦化特性を得るものであったが、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１３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い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、1ｄＢ帯域幅50％が限度であったが、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1ｄＢ帯域幅を実現することができる。これによって例えばチャネル間隔が20ｎｍのAWGの場合13ｎｍ以上での1ｄＢ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。
【００２８】
図１４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１４（ａ）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からずれている。図１４（ｂ）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１４（ｃ）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の中心線からずれている。
【実施例１】
【００２９】
シリコン基板上に熱酸化法により膜厚３μｍのＳｉＯ２膜を形成しその上にＣＶＤ法により膜厚４μｍのＳｉＯ２膜を形成した。続いて、ＣＶＤ法により膜厚４μｍのＳｉＯＮ膜を堆積し、フォトリソグラフィ法によりパターニングして、入・出力光導波路を幅４μｍに、入力側のモード変換導波路となるコア層を、モード混合部長λ：45ｎｍ、モード変換導波路長Ｌ：１２０μｍ、幅Ｗ：13μｍ、間隔Ｐ：15μｍ、出力側のテーパ導波路を、導波路長：１２０μｍ、幅Ｗ′：７μｍ、間隔Ｐ′：15μｍ、カプラー長Λ：２ｍｍ、導波路アレイでの最小曲率半径：２ｍｍ、にそれぞれ形成した。その上にクラッド層となるＳｉＯ２膜を４μｍの膜厚に堆積して、Δ：1.6％の導波路を形成した。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１５に示す。図１５から読みとれるように、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。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施の形態を示す平面図。
【図２】図１の入力側接続部導波路の部分の拡大図。
【図３】図１の出力側接続部導波路の部分の拡大図。
【図４】本発明の一実施の形態の部分断面図。
【図５】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６】モード変換導波路での光強度分布を示す図。
【図７】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８】ＡＷＧの帯域特性図における1ｄＢ帯域幅、3ｄＢ帯域幅およびチャネル間アイソレーションを説明する図。
【図９】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1ｄＢ帯域幅を示すグラフ。
【図１０】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１１】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１２】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１３】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１４】本発明の他の実施の形態のモード変換導波路の例を示す平面図。
【図１５】本発明の実施例1の帯域特性を示すグラフ。
【図１６】ガウス型の帯域特性を有するＡＷＧの特性を示すグラフ。
【図１７】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１８】平坦化帯域特性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１９】平坦化帯域特性ＡＷＧの応用例を示すブロック図。
【図２０】従来の入力側接続部導波路の平面図。
【符号の説明】
【００３１】
１ シリコン基板
２ ＳｉＯ２膜
３ コア層
４ クラッド層
１１、２１ 入力導波路
１２ パラボリック導波路
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
Ｐ′ テーパ導波路間隔
Ｗ′ テーパ導波路幅
λ モード混合部長
Λ カプラー導波路長
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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いることを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
【請求項３】
前記モード混合領域の導波路幅がカプラー導波路に向かっ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の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。
【請求項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。
【請求項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いていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光合分波器。
【請求項６】
前記入力側接続部と出力側接続部との内、モード変換導波路によって構成されていない方の接続部ではモード変換が生起されないことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光合分波器。
【請求項７】
前記入力側接続部導波路と出力側接続部導波路との内、モード変換導波路により構成されていない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いることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光合分波器。
【請求項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いることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光合分波器。
【請求項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ＳｉＯ２をクラッド材料として形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光合分波器。
【請求項１０】
モード変換導波路の全長Ｌが、
【数１】
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、ｎは０または自然数、Ｎは自然数、β０、β１は０次モードと１次モードの伝搬定数）。
【請求項１１】
モード変換導波路の全長Lが、
【数２】
で与えられるか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、ｎは０または自然数、Ｎは自然数、β０、β１は０次モードと１次モードの伝搬定数）。
【請求項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。
【請求項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いることを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
【請求項３】
前記モード混合領域の導波路幅がカプラー導波路に向かっ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の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。
【請求項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。
【請求項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いていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光合分波器。
【請求項６】
前記入力側接続部と出力側接続部との内、モード変換導波路によって構成されていない方の接続部ではモード変換が生起されないことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光合分波器。
【請求項７】
前記入力側接続部導波路と出力側接続部導波路との内、モード変換導波路により構成されていない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いることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光合分波器。
【請求項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いることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光合分波器。
【請求項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ＳｉＯ２をクラッド材料として形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光合分波器。
【請求項１０】
モード変換導波路の全長Ｌが、
【数１】
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、ｎは０または自然数、Ｎは自然数、β０、β１は０次モードと１次モードの伝搬定数）。
【請求項１１】
モード変換導波路の全長Lが、
【数２】
で与えられるか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、ｎは０または自然数、Ｎは自然数、β０、β１は０次モードと１次モードの伝搬定数）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００７−２８６０７７（Ｐ２００７−２８６０７７Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１５００６７（Ｐ２００４−１５００６７）
【出願日】平成１６年５月２０日（２００４．５．２０）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年５月２０日（２００４．５．２０）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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