平面導波路素子
【課題】平面導波路素子中に入力される波長多重化された信号波の波長間隔が狭くなっても、単一波長の信号波として、固有の出力ポートから信号波を出力することが可能な平面導波路素子を提供する。
【解決手段】ＯＢＯ平面導波路素子１は、ＳＯＩ基板１０と、ＳＯＩ基板１０上に並べて配置され、信号波９９が伝播可能な３つ以上の光導波路３０と、ＳＯＩ基板１０を加熱するヒータ４０とを備えている。そして、少なくとも１つの光導波路３０は、入力用端部３１に信号波９９が入力可能となっており、これよりもヒータ４０に近い側に配置された少なくとも２つの光導波路３０は、出力用端部３２から信号波９９が出力可能となっている。そして、入力用端部３１の側とは反対側の端部には、信号波９９をヒータ４０に近づく側に伝播するように反射する第１ＨＲコーティング６０Ａが形成されている。
【解決手段】ＯＢＯ平面導波路素子１は、ＳＯＩ基板１０と、ＳＯＩ基板１０上に並べて配置され、信号波９９が伝播可能な３つ以上の光導波路３０と、ＳＯＩ基板１０を加熱するヒータ４０とを備えている。そして、少なくとも１つの光導波路３０は、入力用端部３１に信号波９９が入力可能となっており、これよりもヒータ４０に近い側に配置された少なくとも２つの光導波路３０は、出力用端部３２から信号波９９が出力可能となっている。そして、入力用端部３１の側とは反対側の端部には、信号波９９をヒータ４０に近づく側に伝播するように反射する第１ＨＲコーティング６０Ａが形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面導波路素子に関し、より特定的には、光学的ブロッホ振動を利用して、波長多重化された信号波を分波し、分波された信号波のそれぞれを所望の出力ポートから出力する平面導波路素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波長多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ；以下、「ＷＤＭ」という）光通信においては、波長１．５５μｍ帯の信号波や波長１．３μｍ帯の信号波からなる多重化された信号波が１本の光ファイバで伝送される。そのため、ＷＤＭ光通信によれば、大容量かつ高速の光通信を実現することができる。
【０００３】
ＷＤＭ光通信においては、個々の信号波が指定されたポートから出力されるように、多重化された信号波を分波する素子が必要である。そして、このような機能を果たす分波素子としては、光学的ブロッホ振動(Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ；以下、「ＯＢＯ」という)を利用した平面導波路素子（以下、「ＯＢＯ平面導波路素子」という）が提案されている（たとえば非特許文献１〜３参照）。
【０００４】
以下、従来技術の一例として、非特許文献２に開示されたＯＢＯ平面導波路素子について説明する。図２３は、非特許文献２において開示された従来のＯＢＯ平面導波路素子を示す概略斜視図である。図２３を参照して、従来のＯＢＯ平面導波路素子１００は、ＳｉＯ２（二酸化珪素）およびガラスからなる基板１１０と、基板１１０上に並べて配置され、高分子材料からなり、光（信号波）が伝播する複数の光導波路１３０と、伝播する信号波が光導波路から漏れ出すことを防止する高分子クラッド層１２０とを備えている。複数の光導波路１３０の一方端には、信号波が入射する入力ポート１３１が設けられ、入力ポート１３１とは反対側の他方端には、信号波が出射する出力ポート１３２が設けられている。さらに、従来のＯＢＯ平面導波路素子１００は、光導波路１３０が並べられる方向における基板１１０の一方端に配置されたヒータ１４０と、ヒータ１４０とは反対側の他方端に配置されたヒートシンク１５０とをさらに備えている。このヒータ１４０およびヒートシンク１５０により、基板１１０の温度分布（温度勾配）を制御することが可能となっている。
【０００５】
ここで、図２３を参照して、点線の矢印は、ＯＢＯ平面導波路素子１００における複数の光導波路１３０中をＸ軸方向に振動しながら伝播する信号波の道筋１９０を示している。なお、図２３においては、複数の光導波路１３０が並ぶ方向をＸ軸方向、各光導波路１３０の延びる方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に垂直な方向をＺ軸方向とする。
【０００６】
次に、ＯＢＯ平面導波路素子１００の製造方法を説明する。まず、図２３を参照して、ＳｉＯ２およびガラスからなる基板１１０を準備し、当該基板１１０上に光導波路１３０となる高分子材料を堆積させる。そして、当該高分子材料上にレジストを塗布してレジスト膜を形成した後、電子線描画またはフォトリソグラフィによって、レジスト膜に光導波路１３０のパターンを形成する。さらに、このパターンが形成されたレジスト膜をマスクとして、前述の高分子材料をエッチングする。これにより、基板１１０上に光導波路１３０が形成される。その後、基板１１０上に、基板１１０における光導波路１３０が形成された面および光導波路１３０を覆うように、高分子クラッド層１２０を堆積させる。さらに、基板１１０のＸ軸方向における一方の側端部にヒータ１４０を装着するとともに、他方の側端部にヒートシンク１５０を装着する。以上の工程により、ＯＢＯ平面導波路素子１００を製造することができる。なお、非特許文献２には、光導波路１３０の端部の加工等に関する記載はない。
【０００７】
次に、ＯＢＯ平面導波路素子１００の動作について説明する。図２３を参照して、ＯＢＯ平面導波路素子１００においては、ヒータ１４０およびヒートシンク１５０のはたらきにより、基板１１０のＸ軸方向における単位長さあたりの温度差を制御することができる。そして、この温度差に応じて光導波路１３０のＸ軸方向における単位長さあたりの屈折率の差が変化する。この屈折率の差に起因してＯＢＯが発現し、ＯＢＯ平面導波路素子１００を可変分波器として利用することができる。
【０００８】
以下、これについて具体的に説明する。高分子材料からなる光導波路１３０を有するＯＢＯ平面導波路素子１００においては、基板１１０が高温である位置における光導波路１３０の屈折率は、基板１１０が低温である位置における光導波路１３０の屈折率よりも相対的に低くなる。
【０００９】
ＯＢＯ平面導波路素子１００の使用時には、ヒータ１４０およびヒートシンク１５０の機能によって、基板１１０のＸ軸方向の温度分布に勾配（単位長さあたりの温度差）が形成される。そして、信号波の強度のピークが所定の１つの入力ポート１３１に位置するように、異なる波長を有する複数の信号波がＯＢＯ平面導波路素子１００中へ入力される。このとき、複数の信号波のそれぞれは、進行している光導波路１３０から漏れ出し、隣接する光導波路１３０に結合する。その結果、複数の信号波は、Ｙ軸方向へ伝播しながら、Ｘ軸方向においてＯＢＯを起こす。
【００１０】
多重化された信号波は、異なる波長を有する複数の信号波が重ね合わされたものである。一般に、信号波の波長が大きくなるにつれて、ＯＢＯの振幅が大きくなる。つまり、ＯＢＯの性質によれば、信号波の波長毎にＯＢＯの振幅が異なる。また、ＯＢＯは、光導波路１３０のＸ軸方向における単位長さあたりの屈折率の差、すなわち光導波路１３０のＸ軸方向における屈折率の分布の勾配が大きくなるにつれて、その振幅が小さくなる性質を有する。そのため、ＯＢＯ平面導波路素子１００に入力された多重化された信号波は、ＯＢＯ平面導波路素子１００内を伝播する道筋１９０が波長によって異なっている。つまり、多重化された信号波はＯＢＯ平面導波路素子１００内で分波されることになる。また、分波された信号波それぞれは、単一波長の信号波として、固有の出力ポート１３２から出力される。
【００１１】
また、ヒータ１４０およびヒートシンク１５０を用いて、基板１１０のＸ軸方向における温度分布の勾配を調整することで、光導波路１３０のＸ軸方向における単位長さあたりの屈折率の差が制御される。この屈折率の差の制御によって、分波された信号波のＯＢＯの振幅を調整して、個々の信号波の出力ポート１３２を自在に指定することができる。以上のように、ＯＢＯ平面導波路素子１００は可変分波器として利用することができる。
【非特許文献１】Ｒ．Ｍｏｒａｎｄｏｔｔｉ， Ｕ．Ｐｅｓｃｈｅｌ， Ｊ．Ｓ．Ａｉｔｃｈｉｓｏｎ、゛Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｎｅａｒ ａｎｄ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ"、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．８３，Ｎｏ．２３，４７５６−４７５９（１９９９）
【非特許文献２】Ｔ．Ｐｅｒｔｓｃｈ， Ｐ．Ｄａｎｎｂｅｒｇ， Ｗ．Ｅｌｆｌｅｉｎ， Ａ．Ｂｒａｕｅｒ、゛Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｔｕｎｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ａｒｒａｙｓ"、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．８３、Ｎｏ．２３、４７５２−４７５５（１９９９）
【非特許文献３】Ｕ．Ｐｅｓｃｈｅｌ， Ｔ．Ｐｅｒｔｓｃｈ， Ｆ．Ｌｅｄｅｒｅｒ、゛Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ａｒｒａｙｓ"、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．２３、Ｎｏ．２１、１７０１−１７０３（１９９８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ＷＤＭ光通信において、大容量化かつ高速化を狙う場合には、波長１．５５μｍ帯や波長１．３μｍ帯の帯域内で、波長が異なるより多くの信号波を多重化する方策が採用され得る。ここで、多重化された信号波の全帯域幅は一定であるため、上記対策を実施するためには、多重化された信号波の波長間隔を狭くする必要がある。そうすると、非特許文献２に記載されたＯＢＯ平面導波路素子１００の構成では、ＯＢＯの性質により、多重化された信号波それぞれのＯＢＯの振幅の差が小さくなる。その結果、ＯＢＯ平面導波路素子１００内を伝播する複数の信号波の道筋１９０において、ＯＢＯの振動方向（図２３のＸ軸方向）の間隔が狭くなる。そして、多重化された信号波のＯＢＯの振幅の差が光導波路１３０の中心間距離より短くなると、複数の信号波が同じ出力ポート１３２から出力される。この場合、分波された信号波それぞれが、単一波長の信号波として固有の出力ポート１３２から出力されず、ＯＢＯ平面導波路素子１００が分波器として十分機能しないという問題が生じる。
【００１３】
本発明は上記課題を解決するものであり、平面導波路素子中に入力される波長多重化された信号波の波長間隔が狭くなっても、単一波長の信号波として、固有の出力ポートから信号波を出力することが可能な平面導波路素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に従った平面導波路素子は、低屈折率層と、当該低屈折率層上に配置され、低屈折率層よりも屈折率の大きい高屈折率層とを有する基板と、基板上に並べて配置され、信号波が伝播可能な３つ以上の光導波路と、基板の、光導波路が並ぶ方向における一方の端部に配置され、基板を加熱する加熱部材とを備えている。そして、当該３つ以上の光導波路のうちの少なくとも１つの光導波路は、光導波路の延在方向における端部に信号波が入力可能となっている。さらに、信号波が入力可能な端部を有する光導波路よりも加熱部材に近い側に配置された当該３つ以上の光導波路のうちの少なくとも２つの光導波路は、光導波路の延在方向における端部から信号波が出力可能となっている。そして、当該３つ以上の光導波路において信号波が入力可能な端部の側とは反対側の光導波路の延在方向における端部には、信号波を加熱部材に近づく側に伝播するように反射する第１反射部が形成されている。
【００１５】
本発明の平面導波路素子においては、多重化された波長の異なる複数の信号波が光導波路に入力された場合、当該信号波は光導波路の延在方向に伝播した後、光導波路素子の端部に形成された第１反射部において反射され、加熱部材に近づくようにさらに伝播する。このとき、ＯＢＯの性質に基づき、多重化された信号波が第１反射部で反射されると、信号波が進行する向きにおいて、多重化された信号波それぞれの伝播する道筋の間隔が広がる。その結果、本発明の平面導波路素子によれば、入力される波長多重化された信号波の波長間隔が狭くなっても、単一波長の信号波として、固有の出力ポートから信号波を出力することが可能となる。
【００１６】
上記平面導波路素子において好ましくは、第１反射部は、第１反射部において信号波が反射する際に、反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対してπ変化するように配置される。さらに、光導波路の延在方向において、信号波が入力可能な端部から第１反射部までの距離は、信号波が起こすＯＢＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ；光学的ブロッホ振動）の１／２周期長となっている。なお、１／２周期長とは、信号が起こすＯＢＯの１／２周期の間に、光導波路の延在方向において信号波が伝播する距離を示す。
【００１７】
これにより、光導波路に入力された信号波が光導波路の延在方向に伝播し、第１反射部に到達した時点でＯＢＯの位相がπ変化しており、かつ第１反射部にて反射される際に信号波のＯＢＯの位相がπ変化する。その結果、第１反射部において反射する信号波が、加熱部材に近づく側に伝播する。
【００１８】
上記平面導波路素子において好ましくは、信号波が入力可能な端部を有する光導波路が延在する方向に、信号波が入力可能な端部から離れる向きを正とする座標軸をおいた場合に、上記３つ以上の光導波路のうち一の光導波路の延在方向に延びる直線と第１反射部との交点の当該座標軸における座標である第１反射位置は、その一の光導波路の加熱部材側とは反対側に隣接する光導波路における第１反射位置に比べて（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加または単調減少する。ここで、ｍは０以上の整数、λは信号波の波長、ｎｗは光導波路の等価屈折率である。
【００１９】
これにより、第１反射部において信号波が反射する際に、反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対してπ変化する。なお、単調増加または単調減少する第１反射位置の誤差は、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗの値に対して±１０％以内であることが好ましい。
【００２０】
上記平面導波路素子において好ましくは、信号波が入力可能な端部を有する光導波路よりも加熱部材に近い側に配置された光導波路の、光導波路の延在方向における第１反射部とは反対側の端部には、信号波を加熱部材に近づく側に伝播するように反射する第２反射部がさらに形成されている。
【００２１】
これにより、多重化された波長の異なる複数の信号波が光導波路に入力された場合、当該信号波は光導波路の延在方向に伝播し、第１反射部において反射された後、さらに第２反射部において反射され、加熱部材に近づくように伝播する。そのため、信号波が進行する向きにおいて、多重化された信号波それぞれの伝播する道筋の間隔がさらに広がる。その結果、入力される波長多重化された信号波の波長間隔が狭くなっても、単一波長の信号波として固有の出力ポートから信号波を出力することが、一層容易となる。
【００２２】
上記平面導波路素子において好ましくは、第１反射部および第２反射部は、第１反射部および第２反射部において信号波が反射する際に、反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対してπ変化するように配置される。さらに、光導波路の延在方向において、信号波が入力可能な端部から第１反射部までの距離、および第１反射部から第２反射部までの距離は、いずれも信号波が起こすＯＢＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ；光学的ブロッホ振動）の１／２周期長となっている。
【００２３】
これにより、光導波路に入力された信号波が光導波路の延在方向に伝播し、第１反射部に到達した時点でＯＢＯの位相がπ変化しており、かつ第１反射部にて反射される際に信号波のＯＢＯの位相がπ変化する。さらに、第１反射部にて反射された信号波が光導波路の延在方向に伝播し、第２反射部に到達した時点でＯＢＯの位相がπ変化しており、かつ第２反射部にて反射される際に信号波のＯＢＯの位相がπ変化する。その結果、第１反射部および第２反射部において反射する信号波がいずれも、加熱部材に近づく側に伝播する。
【００２４】
上記平面導波路素子において好ましくは、信号波が入力可能な端部を有する光導波路が延在する方向に、信号波が入力可能な端部から離れる向きを正とする座標軸をおいた場合に、上記３つ以上の光導波路のうち一の光導波路の延在方向に延びる直線と第１反射部との交点の当該座標軸における座標である第１反射位置は、その一の光導波路の加熱部材側とは反対側に隣接する光導波路における第１反射位置に比べて、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加または単調減少する。さらに、上記３つ以上の光導波路のうち一の光導波路の延在方向に延びる直線と第２反射部との交点の当該座標軸における座標である第２反射位置は、その一の光導波路の加熱部材側とは反対側に隣接する光導波路における第２反射位置に比べて、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加または単調減少する。ここで、ｍは０以上の整数、λは信号波の波長、ｎｗは光導波路の等価屈折率である。
【００２５】
これにより、第１反射部において信号波が反射する際、および第２反射部において信号波が反射する際にはいずれも、反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対してπ変化する。なお、単調増加または単調減少する第１反射位置および第２反射位置の誤差は、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗの値に対して±１０％以内であることが好ましい。
【００２６】
上記平面導波路素子において好ましくは、第１反射部は、第１反射部において信号波が反射する際に、反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対して変化しないように配置される。さらに、第２反射部は、第２反射部において信号波が反射する際に、反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対してπ変化するように配置される。そして、光導波路の延在方向において、信号波が入力可能な端部から第１反射部までの距離、および第１反射部から第２反射部までの距離は、いずれも信号波が起こすＯＢＯの１／４周期長となっている。なお、１／４周期長とは、信号が起こすＯＢＯの１／４周期の間に、光導波路の延在方向において信号波が伝播する距離を示す。
【００２７】
これにより、光導波路に入力された信号波が光導波路の延在方向に伝播し、第１反射部に到達した時点でＯＢＯの位相がπ／２変化しており、かつ第１反射部にて反射される際に信号波のＯＢＯの位相が変化しない。そのため、第１反射部において反射する信号波が、加熱部材に近づく側に伝播する。また、第１反射部にて反射された信号波は光導波路の延在方向に伝播し、第２反射部に到達した時点では、ＯＢＯの位相が光導波路に入力された時点からπ変化しており、かつ第２反射部にて反射される際に信号波のＯＢＯの位相がπ変化する。そのため、第２反射部において反射する信号波が、加熱部材に近づく側に伝播する。その結果、第１反射部および第２反射部において反射する信号波がいずれも、加熱部材に近づく側に伝播する。さらに、光導波路の延在方向において、信号波が入力可能な端部から第１反射部までの距離、および第１反射部から第２反射部までの距離が、信号波の起こすＯＢＯの１／２周期長とされる場合に比べて、光導波路の延在方向において光導波路素子の長さを短くすることが可能となり、光導波路が並ぶ方向において基板の熱抵抗率を高くすることができる。その結果、光導波路が並ぶ方向において光導波路素子に温度勾配をつけることが容易となり、加熱部材において消費されるエネルギー（たとえば電力など）を低減することができる。
【００２８】
上記平面導波路素子において好ましくは、信号波が入力可能な端部を有する光導波路が延在する方向に、信号波が入力可能な端部から離れる向きを正とする座標軸をおいた場合に、上記３つ以上の光導波路の各々の延在方向に延びる直線と第１反射部との交点の当該座標軸における座標である第１反射位置は一定である。さらに、上記３つ以上の光導波路のうち一の光導波路の延在方向に延びる直線と第２反射部との交点の当該座標軸における座標である第２反射位置は、その一の光導波路の加熱部材側とは反対側に隣接する光導波路における第２反射位置に比べて、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加または単調減少する。ここで、ｍは０以上の整数、λは信号波の波長、ｎｗは光導波路の等価屈折率である。
【００２９】
これにより、第１反射部において信号波が反射する際には反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対して変化せず、第２反射部において信号波が反射する際には反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対してπ変化する。なお、一定である第１反射位置、および単調増加または単調減少する第２反射位置の誤差は、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗの値に対して±１０％以内であることが好ましい。
【００３０】
上記平面導波路素子において好ましくは、第１反射部は、第１反射部において信号波が反射する際に、反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対して変化しないように配置される。さらに、光導波路の延在方向において、信号波が入力可能な端部から第１反射部までの距離は、信号波が起こすＯＢＯの１／４周期長となっている。
【００３１】
これにより、光導波路に入力された信号波が光導波路の延在方向に伝播し、第１反射部に到達した時点でＯＢＯの位相がπ／２変化しており、かつ第１反射部にて反射される際に信号波のＯＢＯの位相が変化しない。そのため、第１反射部において反射する信号波が、加熱部材に近づく側に伝播する。その結果、第１反射部において反射する信号波が、加熱部材に近づく側に伝播する。さらに、光導波路の延在方向において、信号波が入力可能な端部から第１反射部までの距離が、信号波の起こすＯＢＯの１／２周期長とされる場合に比べて、光導波路の延在方向において光導波路素子の長さを短くすることが可能となり、光導波路が並ぶ方向において基板の熱抵抗率を高くすることができる。その結果、光導波路が並ぶ方向において光導波路素子に温度勾配をつけることが容易となり、加熱部材において消費されるエネルギー（たとえば電力など）を低減することができる。
【００３２】
上記平面導波路素子において好ましくは、信号波が入力可能な端部を有する光導波路が延在する方向に、信号波が入力可能な端部から離れる向きを正とする座標軸をおいた場合に、上記３つ以上の光導波路の各々の延在方向に延びる直線と第１反射部との交点の座標軸における座標である第１反射位置は一定である。
【００３３】
これにより、第１反射部において信号波が反射する際には反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対して変化しない。なお、一定である第１反射位置の誤差は、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗの±１０％以内であることが好ましい。
【００３４】
上記平面導波路素子において好ましくは、第１反射部および第２反射部は、ＨＲ（Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティングである。これにより、第１反射部および第２反射部において、高い反射率、たとえば反射率９０％以上で信号波を反射させることができる。なお、ＨＲコーティングとは、信号波に対して高反射率または全反射となる多層膜のコーティングをいう。
【００３５】
上記平面導波路素子において好ましくは、第１反射部および第２反射部は、フォトニック結晶である。そして、信号波の周波数帯域は、フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内に位置する。これにより、第１反射部および第２反射部が容易に形成でき、平面導波路素子の製造が容易になる。ここで、信号波の周波数帯域がフォトニックバンドギャップ内に位置するためには、光導波路を伝播する信号波がフォトニック結晶中でブラッグ反射を起こすような条件が必要となる。つまり、光導波路中の信号波の半波長程度で周期的な屈折率分布をもつ構造体が必要となる。
【発明の効果】
【００３６】
以上の説明から明らかなように、平面導波路素子中に入力される波長多重化された信号波の波長間隔が狭くなっても、単一波長の信号波として、固有の出力ポートから信号波を出力することが可能な平面導波路素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００３８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である実施の形態１における平面導波路素子の構成を示す概略平面図である。また、図２は、本発明の一実施の形態である実施の形態１における平面導波路素子の構成を示す概略側面図である。また、図３は、図１のＨＲコーティング付近を拡大して示す概略部分平面図である。図１〜図３を参照して、実施の形態１における平面導波路素子の構成を説明する。
【００３９】
図１および図２を参照して、実施の形態１における平面導波路素子であるＯＢＯ平面導波路素子１は、基板としてのＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１０と、ＳＯＩ基板１０上に並べて配置され、信号波９９が伝播可能な３つ以上の光導波路３０と、ＳＯＩ基板１０の、光導波路３０が並ぶ方向における一方の端部に配置され、ＳＯＩ基板１０を加熱する加熱部材としてのヒータ４０と、光導波路３０が並ぶ方向においてヒータ４０とは反対側の端部である他方の端部に配置され、ＳＯＩ基板１０の熱を外部に放出することによりＳＯＩ基板１０を冷却するヒートシンク５０とを備えている。ＳＯＩ基板１０は、Ｓｉ（珪素）からなるＳｉ基板１１と、ＳｉＯ２（二酸化珪素）からなる低屈折率層としてのＳｉＯ２層１２と、ＳｉＯ２層１２上に配置され、ＳｉＯ２層１２よりも屈折率の大きい高屈折率層としてのＳｉ（珪素）からなるＳｉ層１３とを有している。
【００４０】
Ｓｉ基板１１は、６００μｍの厚さを有している。ただし、素子を分割することができ、かつ、分割した素子の機械的強度が十分に保たれるのであれば、Ｓｉ基板１１の厚さは６００μｍに限定されるものではなく、５０μｍ以上８００μｍ以下であればよい。また、ＳｉＯ２層１２は、１μｍの厚さを有している。ただし、光導波路を伝播する信号波がＳｉ基板に漏れださないのであれば、ＳｉＯ２層１２の厚さは１μｍに限定されるものではなく、０．３μｍ以上であればよい。さらに、Ｓｉ層１３は、０．１９μｍの厚さを有している。ただし、ある光導波路を伝播する信号波が隣接する光導波路と結合しＯＢＯを発現できるのであれば、Ｓｉ層１３の厚さは０．１９μｍに限定されるものではなく、０．１μｍ以上０．２５μｍ以下であればよい。
【００４１】
さらに、上記３つ以上の光導波路３０のうち、入力用光導波路３０Ａは、光導波路３０の延在方向における端部である入力用端部３１に波長λ１〜λｋの信号波が多重化された信号波９９が入力可能となっている。この入力用端部３１は、ＯＢＯ平面導波路素子１の入力ポートとして機能することができる。また、入力用光導波路３０Ａよりもヒータ４０に近い側に配置された上記３つ以上の光導波路３０のうち、出力用光導波路３０Ｂは、光導波路３０の延在方向における端部である出力用端部３２から分波された信号波９９が出力可能となっている。この出力用端部３２は、ＯＢＯ平面導波路素子１の出力ポートとして機能することができる。
【００４２】
そして、上記３つ以上の光導波路３０において、入力用端部３１の側とは反対側の光導波路３０の延在方向における端部には、信号波９９をヒータ４０に近づく側に伝播するように反射する第１反射部としての第１ＨＲ（Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティング６０Ａが形成されている。
【００４３】
さらに入力用光導波路３０Ａよりもヒータ４０に近い側に配置された光導波路３０の、光導波路３０の延在方向における第１ＨＲコーティング６０Ａとは反対側の端部には、信号波９９をヒータ４０に近づく側に伝播するように反射する第２反射部としての第２ＨＲコーティング６０Ｂが形成されている。
【００４４】
より具体的には、Ｓｉ層１３上には、複数の光導波路３０が設けられている。複数の光導波路３０が並ぶ方向をＸ軸方向、光導波路３０が延びる方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向とＹ軸方向とのそれぞれに垂直な方向をＺ軸方向とすると、複数の光導波路３０は、それぞれ直線状であり、互いに平行にＸ軸方向に並んでいる。複数の光導波路３０のそれぞれには、信号波９９としての光が伝播することができる。
【００４５】
そして、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向に生じる温度分布の勾配を制御するために、基板１０の一方の側端面に接触するようにヒータ４０が設けられるとともに、ＳＯＩ基板１０の他方の側端面に接触するように、ヒートシンク５０が設けられている。ヒータ４０は、導線８２を介して電源装置８１に接続されている。また、入力ポートとして機能する入力用端部３１および出力ポートとして機能する出力用端部３２以外の光導波路３０の端部である反射用端部３３には、ＨＲコーティング６０が施されている。
【００４６】
さらに、第１ＨＲコーティング６０Ａおよび第２ＨＲコーティング６０Ｂは、第１ＨＲコーティング６０Ａおよび第２ＨＲコーティング６０Ｂにおいて信号波９９が反射する際に、反射後の信号波９９のＯＢＯの位相が反射前の信号波９９のＯＢＯの位相に対してπ変化するように配置されている。また、Ｙ軸方向において、入力用端部３１から第１ＨＲコーティング６０Ａまでの距離、および第１ＨＲコーティング６０Ａから第２ＨＲコーティング６０Ｂまでの距離は、いずれも信号波９９が起こすＯＢＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ；光学的ブロッホ振動）の１／２周期長となっている。なお、１／２周期長とは、信号が起こすＯＢＯの１／２周期の間に、光導波路の延在方向において信号波が伝播する距離を示す。
【００４７】
より具体的には、図１および図３を参照して、入力用端部３１を有する入力用光導波路３０Ａが延在する方向に、入力用端部３１から離れる向きを正とするＹ座標軸をおいた場合に、上記３つ以上の光導波路３０のうち、一の光導波路３０を通ってその延在方向に延びる直線と第２ＨＲコーティング６０Ｂとの交点の上記Ｙ座標軸における座標である第２反射位置は、その一の光導波路３０のヒータ４０側とは反対側に隣接する光導波路３０における第２反射位置に比べて、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調減少している。ここで、ｍは０以上の整数、λは信号波９９の波長、ｎｗは光導波路３０の等価屈折率である。
【００４８】
また、上記３つ以上の光導波路３０のうち一の光導波路３０を通ってその延在方向に延びる直線と第１ＨＲコーティング６０Ａとの交点のＹ座標軸における座標である第１反射位置は、その一の光導波路３０のヒータ４０側とは反対側に隣接する光導波路３０における第１反射位置に比べて、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加している。
【００４９】
なお、本実施の形態においては、第２反射位置が単調減少し、第１反射位置が単調増加する場合について説明するが、本発明の光導波路素子はこれに限られず、第１反射位置および第２反射位置はそれぞれ単調増加していてもよいし、単調減少していてもよい。
【００５０】
より詳細に説明すると、本実施の形態では、λ＝１．５５μｍ、ｎｗ＝３．５、かつｍ＝０という条件でＯＢＯ平面導波路素子１が構成され、入力用端部３１の側にある光導波路３０の端部（端面）のＹ座標（第２反射位置）は、ヒータ４０側に向かって１１１ｎｍずつ単調減少するように調整されている。一方、入力用端部３１の反対側にある光導波路３０の端部のＹ座標（第１反射位置）は、ヒータ４０側に向かって１１１ｎｍずつ単調増加するように調整されている。
【００５１】
さらに、Ｙ軸方向において信号波９９が光導波路３０の一方の端部（端面）から他方の端部（端面）へ伝播する間に、ＯＢＯの１／２周期長だけ進行するように、光導波路３０の長さが調整されている。つまり、本実施の形態では、光導波路３０の長さが１．５ｍｍという条件でＯＢＯ平面導波路素子１が構成されている。
【００５２】
なお、上述のように、各光導波路３０の第１反射位置および第２反射位置は、１１１ｎｍずつ変位しているため、光導波路３０の長さは厳密にはすべて１．５ｍｍとはいえない。しかし、変位量は、１１１ｎｍ（０．０００１１１ｍｍ）であって、光導波路３０の長さである１．５ｍｍに対して極めて微小である。そのため、実質的に上述の構成により、光導波路３０に関して、上述の端部のＹ座標に関する条件と、長さに関する条件とを両立することができる。なお、第１反射位置、および第２反射位置の誤差は、１１１ｎｍに対して±１０％以内であることが好ましい。また、光導波路３０の長さの誤差は、１．５ｍｍに対して±１０％以内であることが好ましい。
【００５３】
以上のように、本実施の形態のＯＢＯ平面導波路素子１は、入力用端部３１および出力用端部３２以外の光導波路３０の端面である反射用端部３３にＨＲコーティング６０が施され、さらに、Ｙ軸方向において光導波路３０の端面（端部）の位置および光導波路３０の長さが、前述のように調整されている点において、図２３に基づいて説明した従来のＯＢＯ平面導波路素子１００とは異なっている。
【００５４】
次に、本実施の形態における平面導波路素子の製造方法について説明する。図４、図５、図７および図８は、実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。また、図６、図９および図１０は、実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略平面図である。
【００５５】
まず、基板が準備される基板準備工程が実施される。具体的には、図４を参照して、Ｓｉ基板１１、ＳｉＯ２層１２、および厚さ０．３μｍのＳｉ層１３がこの順番で積層されたＳＯＩ基板１０が準備される。
【００５６】
次に、ＳＯＩ基板１０上に光導波路が形成される光導波路形成工程が実施される。具体的には、まず、図４に示すように、ＳＯＩ基板１０のＳｉ層１３上にレジストが塗布されてレジスト膜９１が形成される。その後、図５および図６に示すように、電子線直接描画、あるいはフォトリソグラフィによってレジスト膜９１が加工されて、Ｙ軸方向において端面の位置および長さが調整された光導波路３０を形成するためのレジストパターンが形成される。レジスト膜９１の加工は、たとえば電子線直接描画では、電子線の照射電流が０．１ｎＡ、かつ１ドットあたりの電子線のドーズ時間が４．５μｓｅｃである条件で行なうことができる。また、フォトリソグラフィでは、転写時間が１０ｓｅｃ程度の条件の下で、レジストパターンを形成することができる。
【００５７】
その後、レジストパターンに加工された上記レジスト膜９１をマスクとして、図７に示すように、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング、反応性イオンエッチング、または反応性イオンビームエッチングなどのエッチング方法が採用されて、Ｓｉ層１３の途中までがエッチングされる。より具体的には、たとえばエッチングの条件としてエッチングガスが塩素ガス２５ｓｃｃｍと窒素ガス１０ｓｃｃｍとの混合ガス、エッチング圧力が０．１Ｐａ、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）パワーが２００Ｗの条件を採用した反応性イオンエッチングが行なわれる。そして、レジスト膜９１が除去されることにより、光導波路３０が得られる。
【００５８】
次に、光導波路３０が形成されたＳＯＩ基板１０に、ヒータおよびヒートシンクを形成する温度調節部材形成工程が実施される。具体的には、図８に示すように、スパッタリング法または蒸着法を用いて、ＳＯＩ基板１０におけるＸ軸方向の一方の側端部に、たとえば窒化タンタル膜からなるヒータ４０が形成される。さらに、スパッタリング法または蒸着法を用いて、ＳＯＩ基板１０におけるＸ軸方向の他方の側端部に、窒化アルミ膜からなるヒートシンク５０が形成される。
【００５９】
次に、ＳＯＩ基板１０上に形成された光導波路３０のうち、入力用端部３１および出力用端部３２以外の端部である反射用端部３３に反射部を形成する反射部形成工程が実施される。具体的には、まず、図９に示すように、光導波路３０が形成されたＳＯＩ基板１０上にレジストが再度塗布されてレジスト膜９１が形成される。その後、図９に示すように、電子線直接描画、あるいはフォトリソグラフィによってレジスト膜９１が加工される。これにより、反射部としての第１ＨＲコーティング６０Ａおよび第２ＨＲコーティング６０Ｂの形状に対応する、すなわち光導波路３０の端部のうち反射用端部３３となるべき端部が露出する開口９１Ａを有するレジストパターンが形成される。
【００６０】
その後、図１０を参照して、レジストパターンに加工された上記レジスト膜９１を覆うように、スパッタリング法または蒸着法を用いて、Ａｌ（アルミニウム）膜９２が形成される。そして、リフトオフ法を用いて、レジスト膜９１上に形成されたＡｌ膜９２が、レジスト膜９１と共にＳＯＩ基板１０から除去される。これにより、図１および図２を参照して、光導波路３０の反射用端部３３に、ＡｌからなるＨＲコーティング６０が施される。
【００６１】
次に、ヒータ４０に電力を供給することにより、ヒータ４０によるＳＯＩ基板１０の加熱を可能にする電源装置をヒータに接続する電源装置接続工程が実施される。具体的には、図１および図２を参照して、電源装置８１が配置されるとともに、電源装置８１とヒータ４０とが、導線８２により接続される。
【００６２】
以上の工程により、本実施の形態におけるＯＢＯ平面導波路素子１を製造することができる。
【００６３】
次に、本実施の形態におけるＯＢＯ平面導波路素子１の動作について説明する。図１および図２を参照して、電源装置８１から電力が供給されたヒータ４０により、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向における一方の端部が加熱される。一方、ヒートシンク５０の機能により、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向における他方の端部からＳＯＩ基板１０中の熱が放出されることにより、当該他方の端部は上記一方の端部に対して相対的に冷却される。その結果、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向の温度分布に勾配が生じる。すなわち、ＳＯＩ基板１０は、Ｘ軸方向において、ヒータ４０に近づくにつれて徐々に温度が高くなる。ここで一般に、Ｓｉなどの半導体材料は、高温になるにつれて屈折率が高くなる。したがって、ＳＯＩ基板１０のヒータ４０側にある光導波路３０の屈折率は、ＳＯＩ基板１０のヒートシンク５０側にある光導波路３０の屈折率よりも相対的に高くなる。
【００６４】
この状態で、信号波９９の強度ピークが所定の一つの入力ポートである入力用端部３１に位置するように、波長が異なる複数の信号波（波長：λ１〜λｋ）がＯＢＯ平面導波路素子１中へ入力される。それにより、信号波９９に含まれる複数の信号波は、進行している光導波路３０から漏れ出し、隣接する光導波路３０に結合する。その結果、信号波９９に含まれる複数の信号波は、Ｙ軸方向に伝播しながら、Ｘ軸方向にＯＢＯを起こす。ＯＢＯは、信号波の波長が長くなるにつれて、その振幅が大きくなる。したがって、図１に示すように、複数の信号波がＯＢＯ平面導波路素子１内を伝播する場合には、伝播の道筋が波長によって異なる。つまり、信号波９９は、ＯＢＯ平面導波路素子１内で分波されることとなる。
【００６５】
ここで、ＯＢＯは、光導波路３０のＸ軸方向における単位長さあたりの屈折率の差、すなわち光導波路３０のＸ軸方向における屈折率の勾配が大きくなるにつれて、その振幅が小さくなる性質を有している。したがって、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向における温度の勾配を変化させることによって、所望の出力ポートである出力用端部３２に信号波を出力することができる。
【００６６】
次に、本実施の形態における反射部であるＨＲコーティング６０での信号波９９の反射について説明する。図１１は、Ｘ軸方向における信号波の伝播定数κとＹ軸方向における信号波の伝播定数βとの関係を説明するための図である。また、図１２は、図１１に対応する信号波の道筋を示す図である。
【００６７】
一般に、Ｘ軸方向における信号波の伝播定数κとＹ軸方向における信号波の伝播定数βとの関係は図１１のようになり、Ｘ軸方向における信号波の群速度（ｖｇ）は、以下の式（１）で表される。
【００６８】
【数１】
【００６９】
つまり、ＯＢＯ平面導波路素子１を伝播する信号波９９のｖｇの値は、図１１のグラフの傾きと一致する。このため、ＯＢＯ平面導波路素子１内のｖｇでは、Ｘ軸方向においてヒートシンク５０側からヒータ４０側への向きを正とする。
【００７０】
ここで、図１２を参照して、図１２のａ点にあるようなＯＢＯ平面導波路素子１の入力用端部３１に入った信号波９９は、κが０である。したがって、図１２のａ点における信号波９９の状態は、図１１のＡ点に対応し、入力用端部３１にある信号波９９のｖｇは０となる。次に、ヒータ４０の発熱により、ＳＯＩ基板１０の温度がヒートシンク５０からヒータ４０に向けて上昇する勾配を有している場合、ＯＢＯ平面導波路素子１を伝播する信号波９９は、Ｙ軸方向に伝播しながら、Ｘ軸方向においてＯＢＯを起こす。このため、信号波９９は図１２におけるａ点を出発してｂ点に到達するように、ヒータ４０側へ進行していく。ａ点からｂ点への進行は、図１１において信号波の状態がＡ点からＢ点に変化することに対応する。さらに、図１２のｃ点へ伝播した信号波９９では、図１１における信号波の状態はＣ点に対応し、伝播の際に信号波９９のＯＢＯの位相が０からπへと変化する。このため、反射用端部３３においては、ｖｇが０となる。
【００７１】
次に、信号波９９は、第１ＨＲコーティング６０Ａで反射される。このとき、上述のように、反射後の信号波９９のＯＢＯの位相がπ変化する。その結果、図１１に示すように、信号波の状態がＣ点からＡ点へ変化する。そのため、信号波のｖｇが０となり、その後ｖｇの値が正となる。したがって、第１ＨＲコーティング６０Ａで反射した信号波９９は、再びヒータ４０側へと進行する。
【００７２】
その後、図１に示すように、ＯＢＯ平面導波路素子１を伝播する信号波９９はＨＲコーティング６０で反射を繰り返し、出力ポートである出力用端部３２から出力される。ここで、信号波９９がＯＢＯ平面導波路素子１を伝播する間、図１１に示すように、信号波９９の状態は、Ａ点からＣ点への移動と、ＨＲコーティング６０でのＣ点からＡ点への変化とが繰り返される。したがって、ＯＢＯ平面導波路素子１内を伝播する信号波９９は、Ｘ軸方向においてｖｇ≧０の範囲でＯＢＯを繰り返す。
【００７３】
そして、ＯＢＯの性質に基づけば、多重化された信号波９９における波長の異なる複数の信号波の道筋は、ＨＲコーティング６０で反射を繰り返すたびに、Ｘ軸方向における間隔が広がっていく。
【００７４】
このように、多重化された信号波９９がＨＲコーティング６０で反射する回数を増加させると、ＯＢＯ平面導波路素子１中に入力される多重化された信号波９９の各波長の間隔が狭くなっても、単一波長の信号波として、固有の出力ポートとしての出力用端部３２から信号波を出力することができる。
【００７５】
また、ヒータ４０およびヒートシンク５０を用いて、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向における温度の勾配を調整すると、Ｘ軸方向における単位長さあたりの屈折率差が制御される。したがって、ヒータ４０およびヒートシンク５０を用いて、分波された信号波９９のＯＢＯの振幅を調整して、出力ポートである出力用端部３２から出力される信号波９９の波長を自在に指定することができる。
【００７６】
なお、本実施の形態においては、ＨＲコーティングの材料としてＡｌが用いられているが、波長１．３μｍ帯や波長１．５５μｍ帯の多重化された信号波の反射率が９０％以上であれば、Ａｇ（銀）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）がＨＲコーティングの材料として用いられても、前述の効果と同様の効果が得られる。
【００７７】
また、本実施の形態においては、信号波を反射させるため反射部としてＨＲコーティングが採用される場合について説明したが、波長１．３μｍ帯や波長１．５５μｍ帯の多重化された信号波の反射率が９０％以上であれば、後述のように、信号波を進入させないようなフォトニック結晶（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｉｓｔａｌ；以下「ＰｈＣ」という。）を反射部として採用することもできる。
【００７８】
（実施の形態２）
次に、本発明の平面導波路素子の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。図１３は、実施の形態２における平面導波路素子の構成を示す概略平面図である。また、図１４は、実施の形態２おける平面導波路素子の構成を示す概略側面図である。また、図１５は、図１３のＰｈＣ付近を拡大して示す概略部分平面図である。図１３〜図１５を参照して、実施の形態２における平面導波路素子の構成を説明する。
【００７９】
図１３および図１４を参照して、実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子１は、基本的には実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子１と同様の構成を有している。しかし、実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子１は、光導波路３０の端部に形成された反射部の構成において、実施の形態１とは異なっている。
【００８０】
すなわち、実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子１の光導波路３０では、図１３に示すように、入力ポートである入力用端部３１および出力ポートである出力用端部３２以外の端部である反射用端部３３には、ＰｈＣ７０が設けられている。このＰｈＣ７０の構造は、多重化された信号波９９の周波数帯域がフォトニックバンドギャップ内に位置するように決定される。たとえば、１．５５μｍ帯の信号波９９をＯＢＯ平面導波路素子１に入力する場合、直径１７５ｎｍの孔（円孔）を、格子定数４００ｎｍとなるように配置したＰｈＣ７０が形成される。このため、ＰｈＣ７０を有する光導波路３０末端部へは、信号波９９が進行できない。したがって、図１３に示すように、ＯＢＯ平面導波路素子１内を伝播する信号波９９が、光導波路３０の端部のＰｈＣ７０がない領域からある領域へ進もうとすると、光導波路３０端部のＰｈＣ１３０がある領域とない領域の境界面（ＰｈＣ境界面３４）において反射する。
【００８１】
すなわち、光導波路３０において入力用端部３１の側とは反対側の光導波路３０の延在方向における端部には、信号波９９をヒータ４０に近づく側に伝播するように反射する第１反射部としての第１ＰｈＣ７０Ａが形成されている。さらに入力用光導波路３０Ａよりもヒータ４０に近い側に配置された光導波路３０の、光導波路３０の延在方向における第１ＰｈＣ７０Ａとは反対側の端部には、信号波９９をヒータ４０に近づく側に伝播するように反射する第２反射部としての第２ＰｈＣ７０Ｂが形成されている。ここで、信号波９９の周波数帯域は、ＰｈＣ７０のフォトニックバンドギャップ内に位置する。
【００８２】
そして、第１ＰｈＣ７０Ａは、第１ＰｈＣ７０Ａにおいて信号波９９が反射する際に、反射後の信号波９９のＯＢＯの位相が反射前の信号波９９のＯＢＯの位相に対して変化しないように配置され、第２ＰｈＣ７０Ｂは、第２ＰｈＣ７０Ｂにおいて信号波９９が反射する際に、反射後の信号波９９のＯＢＯの位相が反射前の信号波９９のＯＢＯの位相に対してπ変化するように配置されている。また、Ｙ軸方向において、入力用端部３１から第１ＰｈＣ７０Ａまでの距離、および第１ＰｈＣ７０Ａから第２ＰｈＣ７０Ｂまでの距離は、いずれも信号波９９が起こすＯＢＯの１／４周期長となっている。なお、１／４周期長とは、信号が起こすＯＢＯの１／４周期の間に、光導波路の延在方向において信号波が伝播する距離を示す。
【００８３】
より具体的には、図１３および図１５を参照して、入力用端部３１を有する入力用光導波路３０Ａがｍ延在する方向に、入力用端部３１から離れる向きを正とするＹ座標軸をおいた場合に、上記光導波路３０のうち、一の光導波路３０を通ってその延在方向に延びる直線と第２ＰｈＣ７０Ｂ（ＰｈＣ境界面３４）との交点の上記Ｙ座標軸における座標である第２反射位置は、その一の光導波路３０のヒータ４０側とは反対側に隣接する光導波路３０における第２反射位置に比べて、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加している。ここで、ｍは０以上の整数、λは信号波９９の波長、ｎｗは光導波路３０の等価屈折率である。また、光導波路３０の各々を通ってその延在方向に延びる直線と第１ＰｈＣ７０Ａ（ＰｈＣ境界面３４）との交点のＹ座標軸における座標である第１反射位置は一定である。
【００８４】
なお、本実施の形態においては、第２反射位置が単調増加する場合について説明するが、本発明の光導波路素子はこれに限られず、第２反射位置は単調減少していてもよい。
【００８５】
より詳細に説明すると、本実施の形態では、λ＝１．５５μｍ、ｎｗ＝３．５、かつｍ＝０という条件でＯＢＯ平面導波路素子１が構成され、入力用端部３１の側にある光導波路３０の端部に形成された第２ＰｈＣ７０ＢのＰｈＣ境界面３４のＹ座標（第２反射位置）は、ヒータ４０側に向かって１１１ｎｍずつ単調増加するように調整されている。一方、入力用端部３１の反対側にある光導波路３０の端部に形成された第１ＰｈＣ７０ＡのＰｈＣ境界面３４のＹ座標（第１反射位置）は、一定である。
【００８６】
さらに、Ｙ軸方向において信号波９９が光導波路３０の一方の端部（ＰｈＣ境界面３４）から他方の端部（ＰｈＣ境界面３４）へ伝播する間に、ＯＢＯの１／４周期長だけ進行するように、光導波路３０の長さが調整されている。つまり、本実施の形態では、光導波路３０の長さが０．７５ｍｍという条件でＯＢＯ平面導波路素子１が構成されている。
【００８７】
なお、上述のように、各光導波路３０の第２反射位置は、１１１ｎｍずつ変位しているが、上記実施の形態１の場合と同様に、変位量が光導波路３０の長さに対して極めて微小であるため、実質的に上述の構成により、光導波路３０に関して、上述のＰｈＣ境界面のＹ座標に関する条件と、光導波路の長さに関する条件とを両立することができる。
【００８８】
実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子１によれば、反射部において反射された信号波が次に反射されるまでにＯＢＯ平面導波路素子１中を伝播する距離は、実施の形態１の場合に比べて短くなる。これより、実施の形態２のＯＢＯ平面導波路素子１は、実施の形態１のＯＢＯ平面導波路素子１に比べて小型化することができる。また、実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子１ではＹ軸方向の素子の長さが短くなるため、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向における熱抵抗率が高くなる。このため、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向の温度分布に勾配をつけ易くなる。その結果、ＯＢＯ平面導波路素子１のヒータ４０での消費電力が低減される。
【００８９】
次に、実施の形態２における平面導波路素子の製造方法について説明する。図１６、図１７、図１９および図２０は、実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。また、図１８は、実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略平面図である。
【００９０】
図１６〜図２０を参照して、実施の形態２における平面導波路素子の製造方法は、基本的には、実施の形態１における平面導波路素子の製造方法と同様である。しかし、反射部の構成が異なることに起因して、実施の形態２における平面導波路素子の製造方法は、実施の形態１とは異なっている。
【００９１】
すなわち、まず、基板準備工程においてＳＯＩ基板１０が準備された後、ＳＯＩ基板１０上に光導波路が形成される光導波路形成工程が実施される。具体的には、まず、図１６に示すように、基板準備工程において準備されたＳＯＩ基板１０のＳｉ層１３上に、レジストが塗布されてレジスト膜９１が形成される。その後、図１７および図１８に示すように、電子線直接描画、あるいはフォトリソグラフィによってレジスト膜９１が加工されて、Ｙ軸方向において端面の位置および長さが調整された光導波路３０を形成するためのレジストパターンが形成される。ここで、本実施の形態においては、図１８に示すように、レジスト膜９１には、ＰｈＣを構成する孔（円孔）に対応する開口部９１Ｂが形成される。
【００９２】
その後、レジストパターンに加工された上記レジスト膜９１をマスクとして、図１９に示すように、ＩＣＰエッチング、反応性イオンエッチング、または反応性イオンビームエッチングなどのエッチング方法が採用されて、Ｓｉ層１３の途中までがエッチングされる。これにより、反射用端部３３にＰｈＣ７０を有する光導波路３０が形成される。
【００９３】
次に、実施の形態１の場合と同様に、光導波路３０が形成されたＳＯＩ基板１０に、ヒータおよびヒートシンクを形成する温度調節部材形成工程および電源装置接続工程が実施される。以上の工程により、本実施の形態におけるＯＢＯ平面導波路素子１を製造することができる。
【００９４】
実施の形態２においては、実施の形態１の場合とは異なり、ＨＲコーティングを形成するためのレジストパターンの作製、スパッタリング、リフトオフなどの工程を省略することができる。その結果、実施の形態２のＯＢＯ平面導波路素子１は、実施の形態１のＯＢＯ平面導波路素子１に比べて、製造プロセスが簡略化可能であるという利点を有している。
【００９５】
次に、実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子１の動作について説明する。図１３および図１４を参照して、まず、実施の形態１の場合と同様に、ヒータ４０およびヒートシンク５０の機能により、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向の温度分布に勾配が形成される。この状態で、信号波９９の強度ピークが所定の一つの入力ポートである入力用端部３１に位置するように、波長が異なる複数の信号波（波長：λ１〜λｋ）がＯＢＯ平面導波路素子１中へ入力される。そして、信号波９９に含まれる複数の信号波は、Ｙ軸方向に伝播しながら、Ｘ軸方向にＯＢＯを起こすことにより、ＯＢＯ平面導波路素子１内で分波される。また、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向における温度の勾配を変化させることによって、所望の出力ポートである出力用端部３２から信号波を出力することができる。
【００９６】
ここで、本実施の形態における反射部であるＰｈＣ７０での信号波９９の反射について説明する。図２１は、Ｘ軸方向における信号波の伝播定数κとＹ軸方向における信号波の伝播定数βとの関係を説明するための図である。また、図２２は、図２１に対応する信号波の道筋を示す図である。
【００９７】
実施の形態１の場合と同様に、ＯＢＯ平面導波路素子１を伝播する信号波９９のｖｇの値は、図２１のグラフの傾きと一致する。ここで、図２２を参照して、図２２のａ点にあるようなＯＢＯ平面導波路素子１の入力用端部３１に入った信号波９９は、κが０である。したがって、図２２のａ点における信号波９９の状態は、図２１のＡ点に対応し、入力用端部３１にある信号波９９のｖｇは０となる。次に、ヒータ４０の発熱により、ＳＯＩ基板１０の温度がヒートシンク５０からヒータ４０に向けて上昇する勾配を有している場合、ＯＢＯ平面導波路素子１を伝播する信号波９９は、Ｙ軸方向に伝播しながら、Ｘ軸方向においてＯＢＯを起こす。このため、信号波９９は図１２におけるａ点を出発してｂ点に到達するように、ヒータ４０側へ進行していく。ａ点からｂ点への進行は、図２１において信号波の状態がＡ点からＢ点に変化することに対応し、伝播の際に信号波９９のＯＢＯの位相が０からπ／２へと変化する。
【００９８】
次に、第１ＰｈＣ７０ＡのＰｈＣ境界面３４に到達した信号波は、ＰｈＣ境界面３４で反射する。このとき、反射後の信号波９９のＯＢＯの位相は変化しない。このため、図２１の信号波の状態はＢ点から変化しない。
【００９９】
次に、信号波は図２２のｂ点からｃ点に、ヒータ４０側に向かいながら、第２ＰｈＣ７０ＢのＰｈＣ境界面３４へ進行していく。図２２のｃ点は、図２１のＣ点に対応し、伝播の際に信号波のＯＢＯの位相がπ／２からπへと変化する。このため、第２ＰｈＣ７０ＢのＰｈＣ境界面３４での信号波９９のｖｇは０となる。
【０１００】
次に、第２ＰｈＣ７０ＢのＰｈＣ境界面３４に到達した信号波は、ＰｈＣ境界面３４で反射する。このとき、反射後の信号波９９のＯＢＯの位相はπ変化する。これにより、図２１に示すように、信号波の状態がＣ点からＡ点へと変化する。そのため、信号波９９のｖｇが０となり、その後ｖｇの値が正となる。したがって、第２ＰｈＣ７０Ｂで反射した信号波９９は、再びヒータ４０側へと進行する。
【０１０１】
この後、図１３に示すように、ＯＢＯ平面導波路素子１を伝播する信号波９９はＰｈＣ７０のＰｈＣ境界面３４での反射を繰り返し、出力ポートである出力用端部３２から出力される。ここで、信号波９９がＯＢＯ平面導波路素子１を伝播する間、図２１に示すように、信号波の状態は、Ａ点からＢ点を経由してＣ点への移動と、ＰｈＣ境界面３４でのＣ点からＡ点への変化とが繰り返される。したがって、ＯＢＯ平面導波路素子１内を伝播する信号波９９は、Ｘ軸方向においてｖｇ≧０の範囲でＯＢＯを繰り返す。
【０１０２】
そして、ＯＢＯの性質に基づけば、多重化された信号波９９における波長の異なる複数の信号波の道筋は、ＰｈＣ境界面３４で反射を繰り返すたびに、Ｘ軸方向における間隔が広がっていく。
【０１０３】
このように、多重化された信号波９９がＰｈＣ境界面３４で反射する回数を増加させると、ＯＢＯ平面導波路素子１中に入力される多重化された信号波９９の各波長の間隔が狭くなっても、単一波長の信号波として、固有の出力ポートとしての出力用端部３２から信号波を出力することができる。
【０１０４】
なお、本実施の形態においては、信号波を反射させるため反射部としてフォトニック結晶（ＰｈＣ）が採用される場合について説明したが、波長１．３μｍ帯や波長１．５５μｍ帯の多重化された信号波の反射率が９０％以上であれば、実施の形態１と同様に、ＨＲコーティングを反射部として採用することもできる。
【０１０５】
また、上記実施の形態１および実施の形態２においては、第１反射部としての第１ＨＲコーティング６０Ａまたは第１ＰｈＣ７０Ａだけでなく、第２反射部としての第２ＨＲコーティング６０Ｂまたは第２ＰｈＣ７０Ｂが形成される場合について説明したが、平面導波路素子の用途等を考慮して、第１反射部としての第１ＨＲコーティング６０Ａまたは第１ＰｈＣ７０Ａのみが形成されてもよい。
【０１０６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明の平面導波路素子は、光学的ブロッホ振動を利用して、波長多重化された信号波を分波し、分波された信号波のそれぞれを所望の出力ポートから出力する平面導波路素子に特に有利に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】実施の形態１における平面導波路素子の構成を示す概略平面図である。
【図２】実施の形態１における平面導波路素子の構成を示す概略側面図である。
【図３】図１のＨＲコーティング付近を拡大して示す概略部分平面図である。
【図４】実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図５】実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図６】実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略平面図である。
【図７】実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図８】実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図９】実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略平面図である。
【図１０】実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略平面図である。
【図１１】Ｘ軸方向における信号波の伝播定数κとＹ軸方向における信号波の伝播定数βとの関係を説明するための図である。
【図１２】図１１に対応する信号波の道筋を示す図である。
【図１３】実施の形態２における平面導波路素子の構成を示す概略平面図である。
【図１４】実施の形態２おける平面導波路素子の構成を示す概略側面図である。
【図１５】図１３のＰｈＣ付近を拡大して示す概略部分平面図である。
【図１６】実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１７】実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１８】実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略平面図である。
【図１９】実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２０】実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２１】Ｘ軸方向における信号波の伝播定数κとＹ軸方向における信号波の伝播定数βとの関係を説明するための図である。
【図２２】図２１に対応する信号波の道筋を示す図である。
【図２３】従来のＯＢＯ平面導波路素子を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１ ＯＢＯ平面導波路素子、１０ ＳＯＩ基板、１１ Ｓｉ基板、１２ ＳｉＯ２層、１３ Ｓｉ層、３０ 光導波路、３０Ａ 入力用光導波路、３０Ｂ 出力用光導波路、３１ 入力用端部、３２ 出力用端部、３３ 反射用端部、３４ ＰｈＣ境界面、４０ ヒータ、５０ ヒートシンク、６０ ＨＲコーティング、６０Ａ 第１ＨＲコーティング、６０Ｂ 第２ＨＲコーティング、７０ ＰｈＣ、７０Ａ 第１ＰｈＣ、７０Ｂ 第２ＰｈＣ、８１ 電源装置、８２ 導線、９１ レジスト膜、９１Ａ 開口、９１Ｂ 開口部、９２ Ａｌ膜、９９ 信号波。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面導波路素子に関し、より特定的には、光学的ブロッホ振動を利用して、波長多重化された信号波を分波し、分波された信号波のそれぞれを所望の出力ポートから出力する平面導波路素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波長多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ；以下、「ＷＤＭ」という）光通信においては、波長１．５５μｍ帯の信号波や波長１．３μｍ帯の信号波からなる多重化された信号波が１本の光ファイバで伝送される。そのため、ＷＤＭ光通信によれば、大容量かつ高速の光通信を実現することができる。
【０００３】
ＷＤＭ光通信においては、個々の信号波が指定されたポートから出力されるように、多重化された信号波を分波する素子が必要である。そして、このような機能を果たす分波素子としては、光学的ブロッホ振動(Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ；以下、「ＯＢＯ」という)を利用した平面導波路素子（以下、「ＯＢＯ平面導波路素子」という）が提案されている（たとえば非特許文献１〜３参照）。
【０００４】
以下、従来技術の一例として、非特許文献２に開示されたＯＢＯ平面導波路素子について説明する。図２３は、非特許文献２において開示された従来のＯＢＯ平面導波路素子を示す概略斜視図である。図２３を参照して、従来のＯＢＯ平面導波路素子１００は、ＳｉＯ２（二酸化珪素）およびガラスからなる基板１１０と、基板１１０上に並べて配置され、高分子材料からなり、光（信号波）が伝播する複数の光導波路１３０と、伝播する信号波が光導波路から漏れ出すことを防止する高分子クラッド層１２０とを備えている。複数の光導波路１３０の一方端には、信号波が入射する入力ポート１３１が設けられ、入力ポート１３１とは反対側の他方端には、信号波が出射する出力ポート１３２が設けられている。さらに、従来のＯＢＯ平面導波路素子１００は、光導波路１３０が並べられる方向における基板１１０の一方端に配置されたヒータ１４０と、ヒータ１４０とは反対側の他方端に配置されたヒートシンク１５０とをさらに備えている。このヒータ１４０およびヒートシンク１５０により、基板１１０の温度分布（温度勾配）を制御することが可能となっている。
【０００５】
ここで、図２３を参照して、点線の矢印は、ＯＢＯ平面導波路素子１００における複数の光導波路１３０中をＸ軸方向に振動しながら伝播する信号波の道筋１９０を示している。なお、図２３においては、複数の光導波路１３０が並ぶ方向をＸ軸方向、各光導波路１３０の延びる方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に垂直な方向をＺ軸方向とする。
【０００６】
次に、ＯＢＯ平面導波路素子１００の製造方法を説明する。まず、図２３を参照して、ＳｉＯ２およびガラスからなる基板１１０を準備し、当該基板１１０上に光導波路１３０となる高分子材料を堆積させる。そして、当該高分子材料上にレジストを塗布してレジスト膜を形成した後、電子線描画またはフォトリソグラフィによって、レジスト膜に光導波路１３０のパターンを形成する。さらに、このパターンが形成されたレジスト膜をマスクとして、前述の高分子材料をエッチングする。これにより、基板１１０上に光導波路１３０が形成される。その後、基板１１０上に、基板１１０における光導波路１３０が形成された面および光導波路１３０を覆うように、高分子クラッド層１２０を堆積させる。さらに、基板１１０のＸ軸方向における一方の側端部にヒータ１４０を装着するとともに、他方の側端部にヒートシンク１５０を装着する。以上の工程により、ＯＢＯ平面導波路素子１００を製造することができる。なお、非特許文献２には、光導波路１３０の端部の加工等に関する記載はない。
【０００７】
次に、ＯＢＯ平面導波路素子１００の動作について説明する。図２３を参照して、ＯＢＯ平面導波路素子１００においては、ヒータ１４０およびヒートシンク１５０のはたらきにより、基板１１０のＸ軸方向における単位長さあたりの温度差を制御することができる。そして、この温度差に応じて光導波路１３０のＸ軸方向における単位長さあたりの屈折率の差が変化する。この屈折率の差に起因してＯＢＯが発現し、ＯＢＯ平面導波路素子１００を可変分波器として利用することができる。
【０００８】
以下、これについて具体的に説明する。高分子材料からなる光導波路１３０を有するＯＢＯ平面導波路素子１００においては、基板１１０が高温である位置における光導波路１３０の屈折率は、基板１１０が低温である位置における光導波路１３０の屈折率よりも相対的に低くなる。
【０００９】
ＯＢＯ平面導波路素子１００の使用時には、ヒータ１４０およびヒートシンク１５０の機能によって、基板１１０のＸ軸方向の温度分布に勾配（単位長さあたりの温度差）が形成される。そして、信号波の強度のピークが所定の１つの入力ポート１３１に位置するように、異なる波長を有する複数の信号波がＯＢＯ平面導波路素子１００中へ入力される。このとき、複数の信号波のそれぞれは、進行している光導波路１３０から漏れ出し、隣接する光導波路１３０に結合する。その結果、複数の信号波は、Ｙ軸方向へ伝播しながら、Ｘ軸方向においてＯＢＯを起こす。
【００１０】
多重化された信号波は、異なる波長を有する複数の信号波が重ね合わされたものである。一般に、信号波の波長が大きくなるにつれて、ＯＢＯの振幅が大きくなる。つまり、ＯＢＯの性質によれば、信号波の波長毎にＯＢＯの振幅が異なる。また、ＯＢＯは、光導波路１３０のＸ軸方向における単位長さあたりの屈折率の差、すなわち光導波路１３０のＸ軸方向における屈折率の分布の勾配が大きくなるにつれて、その振幅が小さくなる性質を有する。そのため、ＯＢＯ平面導波路素子１００に入力された多重化された信号波は、ＯＢＯ平面導波路素子１００内を伝播する道筋１９０が波長によって異なっている。つまり、多重化された信号波はＯＢＯ平面導波路素子１００内で分波されることになる。また、分波された信号波それぞれは、単一波長の信号波として、固有の出力ポート１３２から出力される。
【００１１】
また、ヒータ１４０およびヒートシンク１５０を用いて、基板１１０のＸ軸方向における温度分布の勾配を調整することで、光導波路１３０のＸ軸方向における単位長さあたりの屈折率の差が制御される。この屈折率の差の制御によって、分波された信号波のＯＢＯの振幅を調整して、個々の信号波の出力ポート１３２を自在に指定することができる。以上のように、ＯＢＯ平面導波路素子１００は可変分波器として利用することができる。
【非特許文献１】Ｒ．Ｍｏｒａｎｄｏｔｔｉ， Ｕ．Ｐｅｓｃｈｅｌ， Ｊ．Ｓ．Ａｉｔｃｈｉｓｏｎ、゛Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｎｅａｒ ａｎｄ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ"、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．８３，Ｎｏ．２３，４７５６−４７５９（１９９９）
【非特許文献２】Ｔ．Ｐｅｒｔｓｃｈ， Ｐ．Ｄａｎｎｂｅｒｇ， Ｗ．Ｅｌｆｌｅｉｎ， Ａ．Ｂｒａｕｅｒ、゛Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｔｕｎｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ａｒｒａｙｓ"、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．８３、Ｎｏ．２３、４７５２−４７５５（１９９９）
【非特許文献３】Ｕ．Ｐｅｓｃｈｅｌ， Ｔ．Ｐｅｒｔｓｃｈ， Ｆ．Ｌｅｄｅｒｅｒ、゛Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ａｒｒａｙｓ"、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．２３、Ｎｏ．２１、１７０１−１７０３（１９９８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ＷＤＭ光通信において、大容量化かつ高速化を狙う場合には、波長１．５５μｍ帯や波長１．３μｍ帯の帯域内で、波長が異なるより多くの信号波を多重化する方策が採用され得る。ここで、多重化された信号波の全帯域幅は一定であるため、上記対策を実施するためには、多重化された信号波の波長間隔を狭くする必要がある。そうすると、非特許文献２に記載されたＯＢＯ平面導波路素子１００の構成では、ＯＢＯの性質により、多重化された信号波それぞれのＯＢＯの振幅の差が小さくなる。その結果、ＯＢＯ平面導波路素子１００内を伝播する複数の信号波の道筋１９０において、ＯＢＯの振動方向（図２３のＸ軸方向）の間隔が狭くなる。そして、多重化された信号波のＯＢＯの振幅の差が光導波路１３０の中心間距離より短くなると、複数の信号波が同じ出力ポート１３２から出力される。この場合、分波された信号波それぞれが、単一波長の信号波として固有の出力ポート１３２から出力されず、ＯＢＯ平面導波路素子１００が分波器として十分機能しないという問題が生じる。
【００１３】
本発明は上記課題を解決するものであり、平面導波路素子中に入力される波長多重化された信号波の波長間隔が狭くなっても、単一波長の信号波として、固有の出力ポートから信号波を出力することが可能な平面導波路素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に従った平面導波路素子は、低屈折率層と、当該低屈折率層上に配置され、低屈折率層よりも屈折率の大きい高屈折率層とを有する基板と、基板上に並べて配置され、信号波が伝播可能な３つ以上の光導波路と、基板の、光導波路が並ぶ方向における一方の端部に配置され、基板を加熱する加熱部材とを備えている。そして、当該３つ以上の光導波路のうちの少なくとも１つの光導波路は、光導波路の延在方向における端部に信号波が入力可能となっている。さらに、信号波が入力可能な端部を有する光導波路よりも加熱部材に近い側に配置された当該３つ以上の光導波路のうちの少なくとも２つの光導波路は、光導波路の延在方向における端部から信号波が出力可能となっている。そして、当該３つ以上の光導波路において信号波が入力可能な端部の側とは反対側の光導波路の延在方向における端部には、信号波を加熱部材に近づく側に伝播するように反射する第１反射部が形成されている。
【００１５】
本発明の平面導波路素子においては、多重化された波長の異なる複数の信号波が光導波路に入力された場合、当該信号波は光導波路の延在方向に伝播した後、光導波路素子の端部に形成された第１反射部において反射され、加熱部材に近づくようにさらに伝播する。このとき、ＯＢＯの性質に基づき、多重化された信号波が第１反射部で反射されると、信号波が進行する向きにおいて、多重化された信号波それぞれの伝播する道筋の間隔が広がる。その結果、本発明の平面導波路素子によれば、入力される波長多重化された信号波の波長間隔が狭くなっても、単一波長の信号波として、固有の出力ポートから信号波を出力することが可能となる。
【００１６】
上記平面導波路素子において好ましくは、第１反射部は、第１反射部において信号波が反射する際に、反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対してπ変化するように配置される。さらに、光導波路の延在方向において、信号波が入力可能な端部から第１反射部までの距離は、信号波が起こすＯＢＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ；光学的ブロッホ振動）の１／２周期長となっている。なお、１／２周期長とは、信号が起こすＯＢＯの１／２周期の間に、光導波路の延在方向において信号波が伝播する距離を示す。
【００１７】
これにより、光導波路に入力された信号波が光導波路の延在方向に伝播し、第１反射部に到達した時点でＯＢＯの位相がπ変化しており、かつ第１反射部にて反射される際に信号波のＯＢＯの位相がπ変化する。その結果、第１反射部において反射する信号波が、加熱部材に近づく側に伝播する。
【００１８】
上記平面導波路素子において好ましくは、信号波が入力可能な端部を有する光導波路が延在する方向に、信号波が入力可能な端部から離れる向きを正とする座標軸をおいた場合に、上記３つ以上の光導波路のうち一の光導波路の延在方向に延びる直線と第１反射部との交点の当該座標軸における座標である第１反射位置は、その一の光導波路の加熱部材側とは反対側に隣接する光導波路における第１反射位置に比べて（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加または単調減少する。ここで、ｍは０以上の整数、λは信号波の波長、ｎｗは光導波路の等価屈折率である。
【００１９】
これにより、第１反射部において信号波が反射する際に、反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対してπ変化する。なお、単調増加または単調減少する第１反射位置の誤差は、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗの値に対して±１０％以内であることが好ましい。
【００２０】
上記平面導波路素子において好ましくは、信号波が入力可能な端部を有する光導波路よりも加熱部材に近い側に配置された光導波路の、光導波路の延在方向における第１反射部とは反対側の端部には、信号波を加熱部材に近づく側に伝播するように反射する第２反射部がさらに形成されている。
【００２１】
これにより、多重化された波長の異なる複数の信号波が光導波路に入力された場合、当該信号波は光導波路の延在方向に伝播し、第１反射部において反射された後、さらに第２反射部において反射され、加熱部材に近づくように伝播する。そのため、信号波が進行する向きにおいて、多重化された信号波それぞれの伝播する道筋の間隔がさらに広がる。その結果、入力される波長多重化された信号波の波長間隔が狭くなっても、単一波長の信号波として固有の出力ポートから信号波を出力することが、一層容易となる。
【００２２】
上記平面導波路素子において好ましくは、第１反射部および第２反射部は、第１反射部および第２反射部において信号波が反射する際に、反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対してπ変化するように配置される。さらに、光導波路の延在方向において、信号波が入力可能な端部から第１反射部までの距離、および第１反射部から第２反射部までの距離は、いずれも信号波が起こすＯＢＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ；光学的ブロッホ振動）の１／２周期長となっている。
【００２３】
これにより、光導波路に入力された信号波が光導波路の延在方向に伝播し、第１反射部に到達した時点でＯＢＯの位相がπ変化しており、かつ第１反射部にて反射される際に信号波のＯＢＯの位相がπ変化する。さらに、第１反射部にて反射された信号波が光導波路の延在方向に伝播し、第２反射部に到達した時点でＯＢＯの位相がπ変化しており、かつ第２反射部にて反射される際に信号波のＯＢＯの位相がπ変化する。その結果、第１反射部および第２反射部において反射する信号波がいずれも、加熱部材に近づく側に伝播する。
【００２４】
上記平面導波路素子において好ましくは、信号波が入力可能な端部を有する光導波路が延在する方向に、信号波が入力可能な端部から離れる向きを正とする座標軸をおいた場合に、上記３つ以上の光導波路のうち一の光導波路の延在方向に延びる直線と第１反射部との交点の当該座標軸における座標である第１反射位置は、その一の光導波路の加熱部材側とは反対側に隣接する光導波路における第１反射位置に比べて、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加または単調減少する。さらに、上記３つ以上の光導波路のうち一の光導波路の延在方向に延びる直線と第２反射部との交点の当該座標軸における座標である第２反射位置は、その一の光導波路の加熱部材側とは反対側に隣接する光導波路における第２反射位置に比べて、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加または単調減少する。ここで、ｍは０以上の整数、λは信号波の波長、ｎｗは光導波路の等価屈折率である。
【００２５】
これにより、第１反射部において信号波が反射する際、および第２反射部において信号波が反射する際にはいずれも、反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対してπ変化する。なお、単調増加または単調減少する第１反射位置および第２反射位置の誤差は、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗの値に対して±１０％以内であることが好ましい。
【００２６】
上記平面導波路素子において好ましくは、第１反射部は、第１反射部において信号波が反射する際に、反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対して変化しないように配置される。さらに、第２反射部は、第２反射部において信号波が反射する際に、反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対してπ変化するように配置される。そして、光導波路の延在方向において、信号波が入力可能な端部から第１反射部までの距離、および第１反射部から第２反射部までの距離は、いずれも信号波が起こすＯＢＯの１／４周期長となっている。なお、１／４周期長とは、信号が起こすＯＢＯの１／４周期の間に、光導波路の延在方向において信号波が伝播する距離を示す。
【００２７】
これにより、光導波路に入力された信号波が光導波路の延在方向に伝播し、第１反射部に到達した時点でＯＢＯの位相がπ／２変化しており、かつ第１反射部にて反射される際に信号波のＯＢＯの位相が変化しない。そのため、第１反射部において反射する信号波が、加熱部材に近づく側に伝播する。また、第１反射部にて反射された信号波は光導波路の延在方向に伝播し、第２反射部に到達した時点では、ＯＢＯの位相が光導波路に入力された時点からπ変化しており、かつ第２反射部にて反射される際に信号波のＯＢＯの位相がπ変化する。そのため、第２反射部において反射する信号波が、加熱部材に近づく側に伝播する。その結果、第１反射部および第２反射部において反射する信号波がいずれも、加熱部材に近づく側に伝播する。さらに、光導波路の延在方向において、信号波が入力可能な端部から第１反射部までの距離、および第１反射部から第２反射部までの距離が、信号波の起こすＯＢＯの１／２周期長とされる場合に比べて、光導波路の延在方向において光導波路素子の長さを短くすることが可能となり、光導波路が並ぶ方向において基板の熱抵抗率を高くすることができる。その結果、光導波路が並ぶ方向において光導波路素子に温度勾配をつけることが容易となり、加熱部材において消費されるエネルギー（たとえば電力など）を低減することができる。
【００２８】
上記平面導波路素子において好ましくは、信号波が入力可能な端部を有する光導波路が延在する方向に、信号波が入力可能な端部から離れる向きを正とする座標軸をおいた場合に、上記３つ以上の光導波路の各々の延在方向に延びる直線と第１反射部との交点の当該座標軸における座標である第１反射位置は一定である。さらに、上記３つ以上の光導波路のうち一の光導波路の延在方向に延びる直線と第２反射部との交点の当該座標軸における座標である第２反射位置は、その一の光導波路の加熱部材側とは反対側に隣接する光導波路における第２反射位置に比べて、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加または単調減少する。ここで、ｍは０以上の整数、λは信号波の波長、ｎｗは光導波路の等価屈折率である。
【００２９】
これにより、第１反射部において信号波が反射する際には反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対して変化せず、第２反射部において信号波が反射する際には反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対してπ変化する。なお、一定である第１反射位置、および単調増加または単調減少する第２反射位置の誤差は、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗの値に対して±１０％以内であることが好ましい。
【００３０】
上記平面導波路素子において好ましくは、第１反射部は、第１反射部において信号波が反射する際に、反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対して変化しないように配置される。さらに、光導波路の延在方向において、信号波が入力可能な端部から第１反射部までの距離は、信号波が起こすＯＢＯの１／４周期長となっている。
【００３１】
これにより、光導波路に入力された信号波が光導波路の延在方向に伝播し、第１反射部に到達した時点でＯＢＯの位相がπ／２変化しており、かつ第１反射部にて反射される際に信号波のＯＢＯの位相が変化しない。そのため、第１反射部において反射する信号波が、加熱部材に近づく側に伝播する。その結果、第１反射部において反射する信号波が、加熱部材に近づく側に伝播する。さらに、光導波路の延在方向において、信号波が入力可能な端部から第１反射部までの距離が、信号波の起こすＯＢＯの１／２周期長とされる場合に比べて、光導波路の延在方向において光導波路素子の長さを短くすることが可能となり、光導波路が並ぶ方向において基板の熱抵抗率を高くすることができる。その結果、光導波路が並ぶ方向において光導波路素子に温度勾配をつけることが容易となり、加熱部材において消費されるエネルギー（たとえば電力など）を低減することができる。
【００３２】
上記平面導波路素子において好ましくは、信号波が入力可能な端部を有する光導波路が延在する方向に、信号波が入力可能な端部から離れる向きを正とする座標軸をおいた場合に、上記３つ以上の光導波路の各々の延在方向に延びる直線と第１反射部との交点の座標軸における座標である第１反射位置は一定である。
【００３３】
これにより、第１反射部において信号波が反射する際には反射後の信号波のＯＢＯの位相が反射前の信号波のＯＢＯの位相に対して変化しない。なお、一定である第１反射位置の誤差は、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗの±１０％以内であることが好ましい。
【００３４】
上記平面導波路素子において好ましくは、第１反射部および第２反射部は、ＨＲ（Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティングである。これにより、第１反射部および第２反射部において、高い反射率、たとえば反射率９０％以上で信号波を反射させることができる。なお、ＨＲコーティングとは、信号波に対して高反射率または全反射となる多層膜のコーティングをいう。
【００３５】
上記平面導波路素子において好ましくは、第１反射部および第２反射部は、フォトニック結晶である。そして、信号波の周波数帯域は、フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内に位置する。これにより、第１反射部および第２反射部が容易に形成でき、平面導波路素子の製造が容易になる。ここで、信号波の周波数帯域がフォトニックバンドギャップ内に位置するためには、光導波路を伝播する信号波がフォトニック結晶中でブラッグ反射を起こすような条件が必要となる。つまり、光導波路中の信号波の半波長程度で周期的な屈折率分布をもつ構造体が必要となる。
【発明の効果】
【００３６】
以上の説明から明らかなように、平面導波路素子中に入力される波長多重化された信号波の波長間隔が狭くなっても、単一波長の信号波として、固有の出力ポートから信号波を出力することが可能な平面導波路素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００３８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である実施の形態１における平面導波路素子の構成を示す概略平面図である。また、図２は、本発明の一実施の形態である実施の形態１における平面導波路素子の構成を示す概略側面図である。また、図３は、図１のＨＲコーティング付近を拡大して示す概略部分平面図である。図１〜図３を参照して、実施の形態１における平面導波路素子の構成を説明する。
【００３９】
図１および図２を参照して、実施の形態１における平面導波路素子であるＯＢＯ平面導波路素子１は、基板としてのＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１０と、ＳＯＩ基板１０上に並べて配置され、信号波９９が伝播可能な３つ以上の光導波路３０と、ＳＯＩ基板１０の、光導波路３０が並ぶ方向における一方の端部に配置され、ＳＯＩ基板１０を加熱する加熱部材としてのヒータ４０と、光導波路３０が並ぶ方向においてヒータ４０とは反対側の端部である他方の端部に配置され、ＳＯＩ基板１０の熱を外部に放出することによりＳＯＩ基板１０を冷却するヒートシンク５０とを備えている。ＳＯＩ基板１０は、Ｓｉ（珪素）からなるＳｉ基板１１と、ＳｉＯ２（二酸化珪素）からなる低屈折率層としてのＳｉＯ２層１２と、ＳｉＯ２層１２上に配置され、ＳｉＯ２層１２よりも屈折率の大きい高屈折率層としてのＳｉ（珪素）からなるＳｉ層１３とを有している。
【００４０】
Ｓｉ基板１１は、６００μｍの厚さを有している。ただし、素子を分割することができ、かつ、分割した素子の機械的強度が十分に保たれるのであれば、Ｓｉ基板１１の厚さは６００μｍに限定されるものではなく、５０μｍ以上８００μｍ以下であればよい。また、ＳｉＯ２層１２は、１μｍの厚さを有している。ただし、光導波路を伝播する信号波がＳｉ基板に漏れださないのであれば、ＳｉＯ２層１２の厚さは１μｍに限定されるものではなく、０．３μｍ以上であればよい。さらに、Ｓｉ層１３は、０．１９μｍの厚さを有している。ただし、ある光導波路を伝播する信号波が隣接する光導波路と結合しＯＢＯを発現できるのであれば、Ｓｉ層１３の厚さは０．１９μｍに限定されるものではなく、０．１μｍ以上０．２５μｍ以下であればよい。
【００４１】
さらに、上記３つ以上の光導波路３０のうち、入力用光導波路３０Ａは、光導波路３０の延在方向における端部である入力用端部３１に波長λ１〜λｋの信号波が多重化された信号波９９が入力可能となっている。この入力用端部３１は、ＯＢＯ平面導波路素子１の入力ポートとして機能することができる。また、入力用光導波路３０Ａよりもヒータ４０に近い側に配置された上記３つ以上の光導波路３０のうち、出力用光導波路３０Ｂは、光導波路３０の延在方向における端部である出力用端部３２から分波された信号波９９が出力可能となっている。この出力用端部３２は、ＯＢＯ平面導波路素子１の出力ポートとして機能することができる。
【００４２】
そして、上記３つ以上の光導波路３０において、入力用端部３１の側とは反対側の光導波路３０の延在方向における端部には、信号波９９をヒータ４０に近づく側に伝播するように反射する第１反射部としての第１ＨＲ（Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティング６０Ａが形成されている。
【００４３】
さらに入力用光導波路３０Ａよりもヒータ４０に近い側に配置された光導波路３０の、光導波路３０の延在方向における第１ＨＲコーティング６０Ａとは反対側の端部には、信号波９９をヒータ４０に近づく側に伝播するように反射する第２反射部としての第２ＨＲコーティング６０Ｂが形成されている。
【００４４】
より具体的には、Ｓｉ層１３上には、複数の光導波路３０が設けられている。複数の光導波路３０が並ぶ方向をＸ軸方向、光導波路３０が延びる方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向とＹ軸方向とのそれぞれに垂直な方向をＺ軸方向とすると、複数の光導波路３０は、それぞれ直線状であり、互いに平行にＸ軸方向に並んでいる。複数の光導波路３０のそれぞれには、信号波９９としての光が伝播することができる。
【００４５】
そして、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向に生じる温度分布の勾配を制御するために、基板１０の一方の側端面に接触するようにヒータ４０が設けられるとともに、ＳＯＩ基板１０の他方の側端面に接触するように、ヒートシンク５０が設けられている。ヒータ４０は、導線８２を介して電源装置８１に接続されている。また、入力ポートとして機能する入力用端部３１および出力ポートとして機能する出力用端部３２以外の光導波路３０の端部である反射用端部３３には、ＨＲコーティング６０が施されている。
【００４６】
さらに、第１ＨＲコーティング６０Ａおよび第２ＨＲコーティング６０Ｂは、第１ＨＲコーティング６０Ａおよび第２ＨＲコーティング６０Ｂにおいて信号波９９が反射する際に、反射後の信号波９９のＯＢＯの位相が反射前の信号波９９のＯＢＯの位相に対してπ変化するように配置されている。また、Ｙ軸方向において、入力用端部３１から第１ＨＲコーティング６０Ａまでの距離、および第１ＨＲコーティング６０Ａから第２ＨＲコーティング６０Ｂまでの距離は、いずれも信号波９９が起こすＯＢＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ；光学的ブロッホ振動）の１／２周期長となっている。なお、１／２周期長とは、信号が起こすＯＢＯの１／２周期の間に、光導波路の延在方向において信号波が伝播する距離を示す。
【００４７】
より具体的には、図１および図３を参照して、入力用端部３１を有する入力用光導波路３０Ａが延在する方向に、入力用端部３１から離れる向きを正とするＹ座標軸をおいた場合に、上記３つ以上の光導波路３０のうち、一の光導波路３０を通ってその延在方向に延びる直線と第２ＨＲコーティング６０Ｂとの交点の上記Ｙ座標軸における座標である第２反射位置は、その一の光導波路３０のヒータ４０側とは反対側に隣接する光導波路３０における第２反射位置に比べて、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調減少している。ここで、ｍは０以上の整数、λは信号波９９の波長、ｎｗは光導波路３０の等価屈折率である。
【００４８】
また、上記３つ以上の光導波路３０のうち一の光導波路３０を通ってその延在方向に延びる直線と第１ＨＲコーティング６０Ａとの交点のＹ座標軸における座標である第１反射位置は、その一の光導波路３０のヒータ４０側とは反対側に隣接する光導波路３０における第１反射位置に比べて、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加している。
【００４９】
なお、本実施の形態においては、第２反射位置が単調減少し、第１反射位置が単調増加する場合について説明するが、本発明の光導波路素子はこれに限られず、第１反射位置および第２反射位置はそれぞれ単調増加していてもよいし、単調減少していてもよい。
【００５０】
より詳細に説明すると、本実施の形態では、λ＝１．５５μｍ、ｎｗ＝３．５、かつｍ＝０という条件でＯＢＯ平面導波路素子１が構成され、入力用端部３１の側にある光導波路３０の端部（端面）のＹ座標（第２反射位置）は、ヒータ４０側に向かって１１１ｎｍずつ単調減少するように調整されている。一方、入力用端部３１の反対側にある光導波路３０の端部のＹ座標（第１反射位置）は、ヒータ４０側に向かって１１１ｎｍずつ単調増加するように調整されている。
【００５１】
さらに、Ｙ軸方向において信号波９９が光導波路３０の一方の端部（端面）から他方の端部（端面）へ伝播する間に、ＯＢＯの１／２周期長だけ進行するように、光導波路３０の長さが調整されている。つまり、本実施の形態では、光導波路３０の長さが１．５ｍｍという条件でＯＢＯ平面導波路素子１が構成されている。
【００５２】
なお、上述のように、各光導波路３０の第１反射位置および第２反射位置は、１１１ｎｍずつ変位しているため、光導波路３０の長さは厳密にはすべて１．５ｍｍとはいえない。しかし、変位量は、１１１ｎｍ（０．０００１１１ｍｍ）であって、光導波路３０の長さである１．５ｍｍに対して極めて微小である。そのため、実質的に上述の構成により、光導波路３０に関して、上述の端部のＹ座標に関する条件と、長さに関する条件とを両立することができる。なお、第１反射位置、および第２反射位置の誤差は、１１１ｎｍに対して±１０％以内であることが好ましい。また、光導波路３０の長さの誤差は、１．５ｍｍに対して±１０％以内であることが好ましい。
【００５３】
以上のように、本実施の形態のＯＢＯ平面導波路素子１は、入力用端部３１および出力用端部３２以外の光導波路３０の端面である反射用端部３３にＨＲコーティング６０が施され、さらに、Ｙ軸方向において光導波路３０の端面（端部）の位置および光導波路３０の長さが、前述のように調整されている点において、図２３に基づいて説明した従来のＯＢＯ平面導波路素子１００とは異なっている。
【００５４】
次に、本実施の形態における平面導波路素子の製造方法について説明する。図４、図５、図７および図８は、実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。また、図６、図９および図１０は、実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略平面図である。
【００５５】
まず、基板が準備される基板準備工程が実施される。具体的には、図４を参照して、Ｓｉ基板１１、ＳｉＯ２層１２、および厚さ０．３μｍのＳｉ層１３がこの順番で積層されたＳＯＩ基板１０が準備される。
【００５６】
次に、ＳＯＩ基板１０上に光導波路が形成される光導波路形成工程が実施される。具体的には、まず、図４に示すように、ＳＯＩ基板１０のＳｉ層１３上にレジストが塗布されてレジスト膜９１が形成される。その後、図５および図６に示すように、電子線直接描画、あるいはフォトリソグラフィによってレジスト膜９１が加工されて、Ｙ軸方向において端面の位置および長さが調整された光導波路３０を形成するためのレジストパターンが形成される。レジスト膜９１の加工は、たとえば電子線直接描画では、電子線の照射電流が０．１ｎＡ、かつ１ドットあたりの電子線のドーズ時間が４．５μｓｅｃである条件で行なうことができる。また、フォトリソグラフィでは、転写時間が１０ｓｅｃ程度の条件の下で、レジストパターンを形成することができる。
【００５７】
その後、レジストパターンに加工された上記レジスト膜９１をマスクとして、図７に示すように、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング、反応性イオンエッチング、または反応性イオンビームエッチングなどのエッチング方法が採用されて、Ｓｉ層１３の途中までがエッチングされる。より具体的には、たとえばエッチングの条件としてエッチングガスが塩素ガス２５ｓｃｃｍと窒素ガス１０ｓｃｃｍとの混合ガス、エッチング圧力が０．１Ｐａ、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）パワーが２００Ｗの条件を採用した反応性イオンエッチングが行なわれる。そして、レジスト膜９１が除去されることにより、光導波路３０が得られる。
【００５８】
次に、光導波路３０が形成されたＳＯＩ基板１０に、ヒータおよびヒートシンクを形成する温度調節部材形成工程が実施される。具体的には、図８に示すように、スパッタリング法または蒸着法を用いて、ＳＯＩ基板１０におけるＸ軸方向の一方の側端部に、たとえば窒化タンタル膜からなるヒータ４０が形成される。さらに、スパッタリング法または蒸着法を用いて、ＳＯＩ基板１０におけるＸ軸方向の他方の側端部に、窒化アルミ膜からなるヒートシンク５０が形成される。
【００５９】
次に、ＳＯＩ基板１０上に形成された光導波路３０のうち、入力用端部３１および出力用端部３２以外の端部である反射用端部３３に反射部を形成する反射部形成工程が実施される。具体的には、まず、図９に示すように、光導波路３０が形成されたＳＯＩ基板１０上にレジストが再度塗布されてレジスト膜９１が形成される。その後、図９に示すように、電子線直接描画、あるいはフォトリソグラフィによってレジスト膜９１が加工される。これにより、反射部としての第１ＨＲコーティング６０Ａおよび第２ＨＲコーティング６０Ｂの形状に対応する、すなわち光導波路３０の端部のうち反射用端部３３となるべき端部が露出する開口９１Ａを有するレジストパターンが形成される。
【００６０】
その後、図１０を参照して、レジストパターンに加工された上記レジスト膜９１を覆うように、スパッタリング法または蒸着法を用いて、Ａｌ（アルミニウム）膜９２が形成される。そして、リフトオフ法を用いて、レジスト膜９１上に形成されたＡｌ膜９２が、レジスト膜９１と共にＳＯＩ基板１０から除去される。これにより、図１および図２を参照して、光導波路３０の反射用端部３３に、ＡｌからなるＨＲコーティング６０が施される。
【００６１】
次に、ヒータ４０に電力を供給することにより、ヒータ４０によるＳＯＩ基板１０の加熱を可能にする電源装置をヒータに接続する電源装置接続工程が実施される。具体的には、図１および図２を参照して、電源装置８１が配置されるとともに、電源装置８１とヒータ４０とが、導線８２により接続される。
【００６２】
以上の工程により、本実施の形態におけるＯＢＯ平面導波路素子１を製造することができる。
【００６３】
次に、本実施の形態におけるＯＢＯ平面導波路素子１の動作について説明する。図１および図２を参照して、電源装置８１から電力が供給されたヒータ４０により、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向における一方の端部が加熱される。一方、ヒートシンク５０の機能により、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向における他方の端部からＳＯＩ基板１０中の熱が放出されることにより、当該他方の端部は上記一方の端部に対して相対的に冷却される。その結果、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向の温度分布に勾配が生じる。すなわち、ＳＯＩ基板１０は、Ｘ軸方向において、ヒータ４０に近づくにつれて徐々に温度が高くなる。ここで一般に、Ｓｉなどの半導体材料は、高温になるにつれて屈折率が高くなる。したがって、ＳＯＩ基板１０のヒータ４０側にある光導波路３０の屈折率は、ＳＯＩ基板１０のヒートシンク５０側にある光導波路３０の屈折率よりも相対的に高くなる。
【００６４】
この状態で、信号波９９の強度ピークが所定の一つの入力ポートである入力用端部３１に位置するように、波長が異なる複数の信号波（波長：λ１〜λｋ）がＯＢＯ平面導波路素子１中へ入力される。それにより、信号波９９に含まれる複数の信号波は、進行している光導波路３０から漏れ出し、隣接する光導波路３０に結合する。その結果、信号波９９に含まれる複数の信号波は、Ｙ軸方向に伝播しながら、Ｘ軸方向にＯＢＯを起こす。ＯＢＯは、信号波の波長が長くなるにつれて、その振幅が大きくなる。したがって、図１に示すように、複数の信号波がＯＢＯ平面導波路素子１内を伝播する場合には、伝播の道筋が波長によって異なる。つまり、信号波９９は、ＯＢＯ平面導波路素子１内で分波されることとなる。
【００６５】
ここで、ＯＢＯは、光導波路３０のＸ軸方向における単位長さあたりの屈折率の差、すなわち光導波路３０のＸ軸方向における屈折率の勾配が大きくなるにつれて、その振幅が小さくなる性質を有している。したがって、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向における温度の勾配を変化させることによって、所望の出力ポートである出力用端部３２に信号波を出力することができる。
【００６６】
次に、本実施の形態における反射部であるＨＲコーティング６０での信号波９９の反射について説明する。図１１は、Ｘ軸方向における信号波の伝播定数κとＹ軸方向における信号波の伝播定数βとの関係を説明するための図である。また、図１２は、図１１に対応する信号波の道筋を示す図である。
【００６７】
一般に、Ｘ軸方向における信号波の伝播定数κとＹ軸方向における信号波の伝播定数βとの関係は図１１のようになり、Ｘ軸方向における信号波の群速度（ｖｇ）は、以下の式（１）で表される。
【００６８】
【数１】
【００６９】
つまり、ＯＢＯ平面導波路素子１を伝播する信号波９９のｖｇの値は、図１１のグラフの傾きと一致する。このため、ＯＢＯ平面導波路素子１内のｖｇでは、Ｘ軸方向においてヒートシンク５０側からヒータ４０側への向きを正とする。
【００７０】
ここで、図１２を参照して、図１２のａ点にあるようなＯＢＯ平面導波路素子１の入力用端部３１に入った信号波９９は、κが０である。したがって、図１２のａ点における信号波９９の状態は、図１１のＡ点に対応し、入力用端部３１にある信号波９９のｖｇは０となる。次に、ヒータ４０の発熱により、ＳＯＩ基板１０の温度がヒートシンク５０からヒータ４０に向けて上昇する勾配を有している場合、ＯＢＯ平面導波路素子１を伝播する信号波９９は、Ｙ軸方向に伝播しながら、Ｘ軸方向においてＯＢＯを起こす。このため、信号波９９は図１２におけるａ点を出発してｂ点に到達するように、ヒータ４０側へ進行していく。ａ点からｂ点への進行は、図１１において信号波の状態がＡ点からＢ点に変化することに対応する。さらに、図１２のｃ点へ伝播した信号波９９では、図１１における信号波の状態はＣ点に対応し、伝播の際に信号波９９のＯＢＯの位相が０からπへと変化する。このため、反射用端部３３においては、ｖｇが０となる。
【００７１】
次に、信号波９９は、第１ＨＲコーティング６０Ａで反射される。このとき、上述のように、反射後の信号波９９のＯＢＯの位相がπ変化する。その結果、図１１に示すように、信号波の状態がＣ点からＡ点へ変化する。そのため、信号波のｖｇが０となり、その後ｖｇの値が正となる。したがって、第１ＨＲコーティング６０Ａで反射した信号波９９は、再びヒータ４０側へと進行する。
【００７２】
その後、図１に示すように、ＯＢＯ平面導波路素子１を伝播する信号波９９はＨＲコーティング６０で反射を繰り返し、出力ポートである出力用端部３２から出力される。ここで、信号波９９がＯＢＯ平面導波路素子１を伝播する間、図１１に示すように、信号波９９の状態は、Ａ点からＣ点への移動と、ＨＲコーティング６０でのＣ点からＡ点への変化とが繰り返される。したがって、ＯＢＯ平面導波路素子１内を伝播する信号波９９は、Ｘ軸方向においてｖｇ≧０の範囲でＯＢＯを繰り返す。
【００７３】
そして、ＯＢＯの性質に基づけば、多重化された信号波９９における波長の異なる複数の信号波の道筋は、ＨＲコーティング６０で反射を繰り返すたびに、Ｘ軸方向における間隔が広がっていく。
【００７４】
このように、多重化された信号波９９がＨＲコーティング６０で反射する回数を増加させると、ＯＢＯ平面導波路素子１中に入力される多重化された信号波９９の各波長の間隔が狭くなっても、単一波長の信号波として、固有の出力ポートとしての出力用端部３２から信号波を出力することができる。
【００７５】
また、ヒータ４０およびヒートシンク５０を用いて、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向における温度の勾配を調整すると、Ｘ軸方向における単位長さあたりの屈折率差が制御される。したがって、ヒータ４０およびヒートシンク５０を用いて、分波された信号波９９のＯＢＯの振幅を調整して、出力ポートである出力用端部３２から出力される信号波９９の波長を自在に指定することができる。
【００７６】
なお、本実施の形態においては、ＨＲコーティングの材料としてＡｌが用いられているが、波長１．３μｍ帯や波長１．５５μｍ帯の多重化された信号波の反射率が９０％以上であれば、Ａｇ（銀）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）がＨＲコーティングの材料として用いられても、前述の効果と同様の効果が得られる。
【００７７】
また、本実施の形態においては、信号波を反射させるため反射部としてＨＲコーティングが採用される場合について説明したが、波長１．３μｍ帯や波長１．５５μｍ帯の多重化された信号波の反射率が９０％以上であれば、後述のように、信号波を進入させないようなフォトニック結晶（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｉｓｔａｌ；以下「ＰｈＣ」という。）を反射部として採用することもできる。
【００７８】
（実施の形態２）
次に、本発明の平面導波路素子の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。図１３は、実施の形態２における平面導波路素子の構成を示す概略平面図である。また、図１４は、実施の形態２おける平面導波路素子の構成を示す概略側面図である。また、図１５は、図１３のＰｈＣ付近を拡大して示す概略部分平面図である。図１３〜図１５を参照して、実施の形態２における平面導波路素子の構成を説明する。
【００７９】
図１３および図１４を参照して、実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子１は、基本的には実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子１と同様の構成を有している。しかし、実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子１は、光導波路３０の端部に形成された反射部の構成において、実施の形態１とは異なっている。
【００８０】
すなわち、実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子１の光導波路３０では、図１３に示すように、入力ポートである入力用端部３１および出力ポートである出力用端部３２以外の端部である反射用端部３３には、ＰｈＣ７０が設けられている。このＰｈＣ７０の構造は、多重化された信号波９９の周波数帯域がフォトニックバンドギャップ内に位置するように決定される。たとえば、１．５５μｍ帯の信号波９９をＯＢＯ平面導波路素子１に入力する場合、直径１７５ｎｍの孔（円孔）を、格子定数４００ｎｍとなるように配置したＰｈＣ７０が形成される。このため、ＰｈＣ７０を有する光導波路３０末端部へは、信号波９９が進行できない。したがって、図１３に示すように、ＯＢＯ平面導波路素子１内を伝播する信号波９９が、光導波路３０の端部のＰｈＣ７０がない領域からある領域へ進もうとすると、光導波路３０端部のＰｈＣ１３０がある領域とない領域の境界面（ＰｈＣ境界面３４）において反射する。
【００８１】
すなわち、光導波路３０において入力用端部３１の側とは反対側の光導波路３０の延在方向における端部には、信号波９９をヒータ４０に近づく側に伝播するように反射する第１反射部としての第１ＰｈＣ７０Ａが形成されている。さらに入力用光導波路３０Ａよりもヒータ４０に近い側に配置された光導波路３０の、光導波路３０の延在方向における第１ＰｈＣ７０Ａとは反対側の端部には、信号波９９をヒータ４０に近づく側に伝播するように反射する第２反射部としての第２ＰｈＣ７０Ｂが形成されている。ここで、信号波９９の周波数帯域は、ＰｈＣ７０のフォトニックバンドギャップ内に位置する。
【００８２】
そして、第１ＰｈＣ７０Ａは、第１ＰｈＣ７０Ａにおいて信号波９９が反射する際に、反射後の信号波９９のＯＢＯの位相が反射前の信号波９９のＯＢＯの位相に対して変化しないように配置され、第２ＰｈＣ７０Ｂは、第２ＰｈＣ７０Ｂにおいて信号波９９が反射する際に、反射後の信号波９９のＯＢＯの位相が反射前の信号波９９のＯＢＯの位相に対してπ変化するように配置されている。また、Ｙ軸方向において、入力用端部３１から第１ＰｈＣ７０Ａまでの距離、および第１ＰｈＣ７０Ａから第２ＰｈＣ７０Ｂまでの距離は、いずれも信号波９９が起こすＯＢＯの１／４周期長となっている。なお、１／４周期長とは、信号が起こすＯＢＯの１／４周期の間に、光導波路の延在方向において信号波が伝播する距離を示す。
【００８３】
より具体的には、図１３および図１５を参照して、入力用端部３１を有する入力用光導波路３０Ａがｍ延在する方向に、入力用端部３１から離れる向きを正とするＹ座標軸をおいた場合に、上記光導波路３０のうち、一の光導波路３０を通ってその延在方向に延びる直線と第２ＰｈＣ７０Ｂ（ＰｈＣ境界面３４）との交点の上記Ｙ座標軸における座標である第２反射位置は、その一の光導波路３０のヒータ４０側とは反対側に隣接する光導波路３０における第２反射位置に比べて、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加している。ここで、ｍは０以上の整数、λは信号波９９の波長、ｎｗは光導波路３０の等価屈折率である。また、光導波路３０の各々を通ってその延在方向に延びる直線と第１ＰｈＣ７０Ａ（ＰｈＣ境界面３４）との交点のＹ座標軸における座標である第１反射位置は一定である。
【００８４】
なお、本実施の形態においては、第２反射位置が単調増加する場合について説明するが、本発明の光導波路素子はこれに限られず、第２反射位置は単調減少していてもよい。
【００８５】
より詳細に説明すると、本実施の形態では、λ＝１．５５μｍ、ｎｗ＝３．５、かつｍ＝０という条件でＯＢＯ平面導波路素子１が構成され、入力用端部３１の側にある光導波路３０の端部に形成された第２ＰｈＣ７０ＢのＰｈＣ境界面３４のＹ座標（第２反射位置）は、ヒータ４０側に向かって１１１ｎｍずつ単調増加するように調整されている。一方、入力用端部３１の反対側にある光導波路３０の端部に形成された第１ＰｈＣ７０ＡのＰｈＣ境界面３４のＹ座標（第１反射位置）は、一定である。
【００８６】
さらに、Ｙ軸方向において信号波９９が光導波路３０の一方の端部（ＰｈＣ境界面３４）から他方の端部（ＰｈＣ境界面３４）へ伝播する間に、ＯＢＯの１／４周期長だけ進行するように、光導波路３０の長さが調整されている。つまり、本実施の形態では、光導波路３０の長さが０．７５ｍｍという条件でＯＢＯ平面導波路素子１が構成されている。
【００８７】
なお、上述のように、各光導波路３０の第２反射位置は、１１１ｎｍずつ変位しているが、上記実施の形態１の場合と同様に、変位量が光導波路３０の長さに対して極めて微小であるため、実質的に上述の構成により、光導波路３０に関して、上述のＰｈＣ境界面のＹ座標に関する条件と、光導波路の長さに関する条件とを両立することができる。
【００８８】
実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子１によれば、反射部において反射された信号波が次に反射されるまでにＯＢＯ平面導波路素子１中を伝播する距離は、実施の形態１の場合に比べて短くなる。これより、実施の形態２のＯＢＯ平面導波路素子１は、実施の形態１のＯＢＯ平面導波路素子１に比べて小型化することができる。また、実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子１ではＹ軸方向の素子の長さが短くなるため、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向における熱抵抗率が高くなる。このため、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向の温度分布に勾配をつけ易くなる。その結果、ＯＢＯ平面導波路素子１のヒータ４０での消費電力が低減される。
【００８９】
次に、実施の形態２における平面導波路素子の製造方法について説明する。図１６、図１７、図１９および図２０は、実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。また、図１８は、実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略平面図である。
【００９０】
図１６〜図２０を参照して、実施の形態２における平面導波路素子の製造方法は、基本的には、実施の形態１における平面導波路素子の製造方法と同様である。しかし、反射部の構成が異なることに起因して、実施の形態２における平面導波路素子の製造方法は、実施の形態１とは異なっている。
【００９１】
すなわち、まず、基板準備工程においてＳＯＩ基板１０が準備された後、ＳＯＩ基板１０上に光導波路が形成される光導波路形成工程が実施される。具体的には、まず、図１６に示すように、基板準備工程において準備されたＳＯＩ基板１０のＳｉ層１３上に、レジストが塗布されてレジスト膜９１が形成される。その後、図１７および図１８に示すように、電子線直接描画、あるいはフォトリソグラフィによってレジスト膜９１が加工されて、Ｙ軸方向において端面の位置および長さが調整された光導波路３０を形成するためのレジストパターンが形成される。ここで、本実施の形態においては、図１８に示すように、レジスト膜９１には、ＰｈＣを構成する孔（円孔）に対応する開口部９１Ｂが形成される。
【００９２】
その後、レジストパターンに加工された上記レジスト膜９１をマスクとして、図１９に示すように、ＩＣＰエッチング、反応性イオンエッチング、または反応性イオンビームエッチングなどのエッチング方法が採用されて、Ｓｉ層１３の途中までがエッチングされる。これにより、反射用端部３３にＰｈＣ７０を有する光導波路３０が形成される。
【００９３】
次に、実施の形態１の場合と同様に、光導波路３０が形成されたＳＯＩ基板１０に、ヒータおよびヒートシンクを形成する温度調節部材形成工程および電源装置接続工程が実施される。以上の工程により、本実施の形態におけるＯＢＯ平面導波路素子１を製造することができる。
【００９４】
実施の形態２においては、実施の形態１の場合とは異なり、ＨＲコーティングを形成するためのレジストパターンの作製、スパッタリング、リフトオフなどの工程を省略することができる。その結果、実施の形態２のＯＢＯ平面導波路素子１は、実施の形態１のＯＢＯ平面導波路素子１に比べて、製造プロセスが簡略化可能であるという利点を有している。
【００９５】
次に、実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子１の動作について説明する。図１３および図１４を参照して、まず、実施の形態１の場合と同様に、ヒータ４０およびヒートシンク５０の機能により、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向の温度分布に勾配が形成される。この状態で、信号波９９の強度ピークが所定の一つの入力ポートである入力用端部３１に位置するように、波長が異なる複数の信号波（波長：λ１〜λｋ）がＯＢＯ平面導波路素子１中へ入力される。そして、信号波９９に含まれる複数の信号波は、Ｙ軸方向に伝播しながら、Ｘ軸方向にＯＢＯを起こすことにより、ＯＢＯ平面導波路素子１内で分波される。また、ＳＯＩ基板１０のＸ軸方向における温度の勾配を変化させることによって、所望の出力ポートである出力用端部３２から信号波を出力することができる。
【００９６】
ここで、本実施の形態における反射部であるＰｈＣ７０での信号波９９の反射について説明する。図２１は、Ｘ軸方向における信号波の伝播定数κとＹ軸方向における信号波の伝播定数βとの関係を説明するための図である。また、図２２は、図２１に対応する信号波の道筋を示す図である。
【００９７】
実施の形態１の場合と同様に、ＯＢＯ平面導波路素子１を伝播する信号波９９のｖｇの値は、図２１のグラフの傾きと一致する。ここで、図２２を参照して、図２２のａ点にあるようなＯＢＯ平面導波路素子１の入力用端部３１に入った信号波９９は、κが０である。したがって、図２２のａ点における信号波９９の状態は、図２１のＡ点に対応し、入力用端部３１にある信号波９９のｖｇは０となる。次に、ヒータ４０の発熱により、ＳＯＩ基板１０の温度がヒートシンク５０からヒータ４０に向けて上昇する勾配を有している場合、ＯＢＯ平面導波路素子１を伝播する信号波９９は、Ｙ軸方向に伝播しながら、Ｘ軸方向においてＯＢＯを起こす。このため、信号波９９は図１２におけるａ点を出発してｂ点に到達するように、ヒータ４０側へ進行していく。ａ点からｂ点への進行は、図２１において信号波の状態がＡ点からＢ点に変化することに対応し、伝播の際に信号波９９のＯＢＯの位相が０からπ／２へと変化する。
【００９８】
次に、第１ＰｈＣ７０ＡのＰｈＣ境界面３４に到達した信号波は、ＰｈＣ境界面３４で反射する。このとき、反射後の信号波９９のＯＢＯの位相は変化しない。このため、図２１の信号波の状態はＢ点から変化しない。
【００９９】
次に、信号波は図２２のｂ点からｃ点に、ヒータ４０側に向かいながら、第２ＰｈＣ７０ＢのＰｈＣ境界面３４へ進行していく。図２２のｃ点は、図２１のＣ点に対応し、伝播の際に信号波のＯＢＯの位相がπ／２からπへと変化する。このため、第２ＰｈＣ７０ＢのＰｈＣ境界面３４での信号波９９のｖｇは０となる。
【０１００】
次に、第２ＰｈＣ７０ＢのＰｈＣ境界面３４に到達した信号波は、ＰｈＣ境界面３４で反射する。このとき、反射後の信号波９９のＯＢＯの位相はπ変化する。これにより、図２１に示すように、信号波の状態がＣ点からＡ点へと変化する。そのため、信号波９９のｖｇが０となり、その後ｖｇの値が正となる。したがって、第２ＰｈＣ７０Ｂで反射した信号波９９は、再びヒータ４０側へと進行する。
【０１０１】
この後、図１３に示すように、ＯＢＯ平面導波路素子１を伝播する信号波９９はＰｈＣ７０のＰｈＣ境界面３４での反射を繰り返し、出力ポートである出力用端部３２から出力される。ここで、信号波９９がＯＢＯ平面導波路素子１を伝播する間、図２１に示すように、信号波の状態は、Ａ点からＢ点を経由してＣ点への移動と、ＰｈＣ境界面３４でのＣ点からＡ点への変化とが繰り返される。したがって、ＯＢＯ平面導波路素子１内を伝播する信号波９９は、Ｘ軸方向においてｖｇ≧０の範囲でＯＢＯを繰り返す。
【０１０２】
そして、ＯＢＯの性質に基づけば、多重化された信号波９９における波長の異なる複数の信号波の道筋は、ＰｈＣ境界面３４で反射を繰り返すたびに、Ｘ軸方向における間隔が広がっていく。
【０１０３】
このように、多重化された信号波９９がＰｈＣ境界面３４で反射する回数を増加させると、ＯＢＯ平面導波路素子１中に入力される多重化された信号波９９の各波長の間隔が狭くなっても、単一波長の信号波として、固有の出力ポートとしての出力用端部３２から信号波を出力することができる。
【０１０４】
なお、本実施の形態においては、信号波を反射させるため反射部としてフォトニック結晶（ＰｈＣ）が採用される場合について説明したが、波長１．３μｍ帯や波長１．５５μｍ帯の多重化された信号波の反射率が９０％以上であれば、実施の形態１と同様に、ＨＲコーティングを反射部として採用することもできる。
【０１０５】
また、上記実施の形態１および実施の形態２においては、第１反射部としての第１ＨＲコーティング６０Ａまたは第１ＰｈＣ７０Ａだけでなく、第２反射部としての第２ＨＲコーティング６０Ｂまたは第２ＰｈＣ７０Ｂが形成される場合について説明したが、平面導波路素子の用途等を考慮して、第１反射部としての第１ＨＲコーティング６０Ａまたは第１ＰｈＣ７０Ａのみが形成されてもよい。
【０１０６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明の平面導波路素子は、光学的ブロッホ振動を利用して、波長多重化された信号波を分波し、分波された信号波のそれぞれを所望の出力ポートから出力する平面導波路素子に特に有利に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】実施の形態１における平面導波路素子の構成を示す概略平面図である。
【図２】実施の形態１における平面導波路素子の構成を示す概略側面図である。
【図３】図１のＨＲコーティング付近を拡大して示す概略部分平面図である。
【図４】実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図５】実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図６】実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略平面図である。
【図７】実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図８】実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図９】実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略平面図である。
【図１０】実施の形態１におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略平面図である。
【図１１】Ｘ軸方向における信号波の伝播定数κとＹ軸方向における信号波の伝播定数βとの関係を説明するための図である。
【図１２】図１１に対応する信号波の道筋を示す図である。
【図１３】実施の形態２における平面導波路素子の構成を示す概略平面図である。
【図１４】実施の形態２おける平面導波路素子の構成を示す概略側面図である。
【図１５】図１３のＰｈＣ付近を拡大して示す概略部分平面図である。
【図１６】実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１７】実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１８】実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略平面図である。
【図１９】実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２０】実施の形態２におけるＯＢＯ平面導波路素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２１】Ｘ軸方向における信号波の伝播定数κとＹ軸方向における信号波の伝播定数βとの関係を説明するための図である。
【図２２】図２１に対応する信号波の道筋を示す図である。
【図２３】従来のＯＢＯ平面導波路素子を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１ ＯＢＯ平面導波路素子、１０ ＳＯＩ基板、１１ Ｓｉ基板、１２ ＳｉＯ２層、１３ Ｓｉ層、３０ 光導波路、３０Ａ 入力用光導波路、３０Ｂ 出力用光導波路、３１ 入力用端部、３２ 出力用端部、３３ 反射用端部、３４ ＰｈＣ境界面、４０ ヒータ、５０ ヒートシンク、６０ ＨＲコーティング、６０Ａ 第１ＨＲコーティング、６０Ｂ 第２ＨＲコーティング、７０ ＰｈＣ、７０Ａ 第１ＰｈＣ、７０Ｂ 第２ＰｈＣ、８１ 電源装置、８２ 導線、９１ レジスト膜、９１Ａ 開口、９１Ｂ 開口部、９２ Ａｌ膜、９９ 信号波。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低屈折率層と、前記低屈折率層上に配置され、前記低屈折率層よりも屈折率の大きい高屈折率層とを有する基板と、
前記基板上に並べて配置され、信号波が伝播可能な３つ以上の光導波路と、
前記基板の、前記光導波路が並ぶ方向における一方の端部に配置され、前記基板を加熱する加熱部材とを備え、
前記３つ以上の光導波路のうちの少なくとも１つの光導波路は、前記光導波路の延在方向における端部に前記信号波が入力可能となっており、
前記信号波が入力可能な端部を有する前記光導波路よりも前記加熱部材に近い側に配置された前記３つ以上の光導波路のうちの少なくとも２つの光導波路は、前記光導波路の延在方向における端部から前記信号波が出力可能となっており、
前記３つ以上の光導波路において前記信号波が入力可能な端部の側とは反対側の前記光導波路の延在方向における端部には、前記信号波を前記加熱部材に近づく側に伝播するように反射する第１反射部が形成されている、平面導波路素子。
【請求項２】
前記第１反射部は、前記第１反射部において前記信号波が反射する際に、反射後の前記信号波の位相が反射前の前記信号波の位相に対してπ変化するように配置され、
前記光導波路の延在方向において、前記信号波が入力可能な端部から前記第１反射部までの距離は、前記信号波が起こすＯＢＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ；光学的ブロッホ振動）の１／２周期長となっている、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項３】
前記信号波が入力可能な端部を有する前記光導波路が延在する方向に、前記信号波が入力可能な端部から離れる向きを正とする座標軸をおいた場合に、前記３つ以上の光導波路のうち一の光導波路の延在方向に延びる直線と前記第１反射部との交点の前記座標軸における座標である第１反射位置は、前記一の光導波路の前記加熱部材側とは反対側に隣接する光導波路における第１反射位置に比べて（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加または単調減少する、請求項２に記載の平面導波路素子。
ここで、ｍは０以上の整数、λは前記信号波の波長、ｎｗは光導波路の等価屈折率である。
【請求項４】
前記信号波が入力可能な端部を有する前記光導波路よりも前記加熱部材に近い側に配置された前記光導波路の、前記光導波路の延在方向における前記第１反射部とは反対側の端部には、前記信号波を前記加熱部材に近づく側に伝播するように反射する第２反射部がさらに形成されている、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項５】
前記第１反射部および前記第２反射部は、前記第１反射部および前記第２反射部において前記信号波が反射する際に、反射後の前記信号波の位相が反射前の前記信号波の位相に対してπ変化するように配置され、
前記光導波路の延在方向において、前記信号波が入力可能な端部から前記第１反射部までの距離、および前記第１反射部から前記第２反射部までの距離は、いずれも前記信号波が起こすＯＢＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ；光学的ブロッホ振動）の１／２周期長となっている、請求項４に記載の平面導波路素子。
【請求項６】
前記信号波が入力可能な端部を有する前記光導波路が延在する方向に、前記信号波が入力可能な端部から離れる向きを正とする座標軸をおいた場合に、前記３つ以上の光導波路のうち一の光導波路の延在方向に延びる直線と前記第１反射部との交点の前記座標軸における座標である第１反射位置は、前記一の光導波路の前記加熱部材側とは反対側に隣接する光導波路における第１反射位置に比べて、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加または単調減少し、
前記３つ以上の光導波路のうち一の光導波路の延在方向に延びる直線と前記第２反射部との交点の前記座標軸における座標である第２反射位置は、前記一の光導波路の前記加熱部材側とは反対側に隣接する光導波路における第２反射位置に比べて、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加または単調減少する、請求項５に記載の平面導波路素子。
ここで、ｍは０以上の整数、λは前記信号波の波長、ｎｗは光導波路の等価屈折率である。
【請求項７】
前記第１反射部は、前記第１反射部において前記信号波が反射する際に、反射後の前記信号波の位相が反射前の前記信号波の位相に対して変化しないように配置され、
前記第２反射部は、前記第２反射部において前記信号波が反射する際に、反射後の前記信号波の位相が反射前の前記信号波の位相に対してπ変化するように配置され、
前記光導波路の延在方向において、前記信号波が入力可能な端部から前記第１反射部までの距離、および前記第１反射部から前記第２反射部までの距離は、いずれも前記信号波が起こすＯＢＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ；光学的ブロッホ振動）の１／４周期長となっている、請求項４に記載の平面導波路素子。
【請求項８】
前記信号波が入力可能な端部を有する前記光導波路が延在する方向に、前記信号波が入力可能な端部から離れる向きを正とする座標軸をおいた場合に、前記３つ以上の光導波路の各々の延在方向に延びる直線と前記第１反射部との交点の前記座標軸における座標である第１反射位置は一定であり、
前記３つ以上の光導波路のうち一の光導波路の延在方向に延びる直線と前記第２反射部との交点の前記座標軸における座標である第２反射位置は、前記一の光導波路の前記加熱部材側とは反対側に隣接する光導波路における第２反射位置に比べて、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加または単調減少する、請求項７に記載の平面導波路素子。
ここで、ｍは０以上の整数、λは前記信号波の波長、ｎｗは光導波路の等価屈折率である。
【請求項９】
前記第１反射部は、前記第１反射部において前記信号波が反射する際に、反射後の前記信号波の位相が反射前の前記信号波の位相に対して変化しないように配置され、
前記光導波路の延在方向において、前記信号波が入力可能な端部から前記第１反射部までの距離は、前記信号波が起こすＯＢＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ；光学的ブロッホ振動）の１／４周期長となっている、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項１０】
前記信号波が入力可能な端部を有する前記光導波路が延在する方向に、前記信号波が入力可能な端部から離れる向きを正とする座標軸をおいた場合に、前記３つ以上の光導波路の各々の延在方向に延びる直線と前記第１反射部との交点の前記座標軸における座標である第１反射位置は一定である、請求項９に記載の平面導波路素子。
【請求項１１】
前記第１反射部は、ＨＲコーティングである、請求項１〜３、９および１０のいずれか１項に記載の平面導波路素子。
【請求項１２】
前記第１反射部および前記第２反射部は、ＨＲコーティングである、請求項４〜８のいずれか１項に記載の平面導波路素子。
【請求項１３】
前記第１反射部は、フォトニック結晶であり、
前記信号波の周波数帯域は、前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内に位置する、請求項１〜３、９および１０のいずれか１項に記載の平面導波路素子。
【請求項１４】
前記第１反射部および前記第２反射部は、フォトニック結晶であり、
前記信号波の周波数帯域は、前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内に位置する、請求項４〜８のいずれか１項に記載の平面導波路素子。
【請求項１】
低屈折率層と、前記低屈折率層上に配置され、前記低屈折率層よりも屈折率の大きい高屈折率層とを有する基板と、
前記基板上に並べて配置され、信号波が伝播可能な３つ以上の光導波路と、
前記基板の、前記光導波路が並ぶ方向における一方の端部に配置され、前記基板を加熱する加熱部材とを備え、
前記３つ以上の光導波路のうちの少なくとも１つの光導波路は、前記光導波路の延在方向における端部に前記信号波が入力可能となっており、
前記信号波が入力可能な端部を有する前記光導波路よりも前記加熱部材に近い側に配置された前記３つ以上の光導波路のうちの少なくとも２つの光導波路は、前記光導波路の延在方向における端部から前記信号波が出力可能となっており、
前記３つ以上の光導波路において前記信号波が入力可能な端部の側とは反対側の前記光導波路の延在方向における端部には、前記信号波を前記加熱部材に近づく側に伝播するように反射する第１反射部が形成されている、平面導波路素子。
【請求項２】
前記第１反射部は、前記第１反射部において前記信号波が反射する際に、反射後の前記信号波の位相が反射前の前記信号波の位相に対してπ変化するように配置され、
前記光導波路の延在方向において、前記信号波が入力可能な端部から前記第１反射部までの距離は、前記信号波が起こすＯＢＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ；光学的ブロッホ振動）の１／２周期長となっている、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項３】
前記信号波が入力可能な端部を有する前記光導波路が延在する方向に、前記信号波が入力可能な端部から離れる向きを正とする座標軸をおいた場合に、前記３つ以上の光導波路のうち一の光導波路の延在方向に延びる直線と前記第１反射部との交点の前記座標軸における座標である第１反射位置は、前記一の光導波路の前記加熱部材側とは反対側に隣接する光導波路における第１反射位置に比べて（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加または単調減少する、請求項２に記載の平面導波路素子。
ここで、ｍは０以上の整数、λは前記信号波の波長、ｎｗは光導波路の等価屈折率である。
【請求項４】
前記信号波が入力可能な端部を有する前記光導波路よりも前記加熱部材に近い側に配置された前記光導波路の、前記光導波路の延在方向における前記第１反射部とは反対側の端部には、前記信号波を前記加熱部材に近づく側に伝播するように反射する第２反射部がさらに形成されている、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項５】
前記第１反射部および前記第２反射部は、前記第１反射部および前記第２反射部において前記信号波が反射する際に、反射後の前記信号波の位相が反射前の前記信号波の位相に対してπ変化するように配置され、
前記光導波路の延在方向において、前記信号波が入力可能な端部から前記第１反射部までの距離、および前記第１反射部から前記第２反射部までの距離は、いずれも前記信号波が起こすＯＢＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ；光学的ブロッホ振動）の１／２周期長となっている、請求項４に記載の平面導波路素子。
【請求項６】
前記信号波が入力可能な端部を有する前記光導波路が延在する方向に、前記信号波が入力可能な端部から離れる向きを正とする座標軸をおいた場合に、前記３つ以上の光導波路のうち一の光導波路の延在方向に延びる直線と前記第１反射部との交点の前記座標軸における座標である第１反射位置は、前記一の光導波路の前記加熱部材側とは反対側に隣接する光導波路における第１反射位置に比べて、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加または単調減少し、
前記３つ以上の光導波路のうち一の光導波路の延在方向に延びる直線と前記第２反射部との交点の前記座標軸における座標である第２反射位置は、前記一の光導波路の前記加熱部材側とは反対側に隣接する光導波路における第２反射位置に比べて、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加または単調減少する、請求項５に記載の平面導波路素子。
ここで、ｍは０以上の整数、λは前記信号波の波長、ｎｗは光導波路の等価屈折率である。
【請求項７】
前記第１反射部は、前記第１反射部において前記信号波が反射する際に、反射後の前記信号波の位相が反射前の前記信号波の位相に対して変化しないように配置され、
前記第２反射部は、前記第２反射部において前記信号波が反射する際に、反射後の前記信号波の位相が反射前の前記信号波の位相に対してπ変化するように配置され、
前記光導波路の延在方向において、前記信号波が入力可能な端部から前記第１反射部までの距離、および前記第１反射部から前記第２反射部までの距離は、いずれも前記信号波が起こすＯＢＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ；光学的ブロッホ振動）の１／４周期長となっている、請求項４に記載の平面導波路素子。
【請求項８】
前記信号波が入力可能な端部を有する前記光導波路が延在する方向に、前記信号波が入力可能な端部から離れる向きを正とする座標軸をおいた場合に、前記３つ以上の光導波路の各々の延在方向に延びる直線と前記第１反射部との交点の前記座標軸における座標である第１反射位置は一定であり、
前記３つ以上の光導波路のうち一の光導波路の延在方向に延びる直線と前記第２反射部との交点の前記座標軸における座標である第２反射位置は、前記一の光導波路の前記加熱部材側とは反対側に隣接する光導波路における第２反射位置に比べて、（２ｍ＋１）×λ／４ｎｗずつ単調増加または単調減少する、請求項７に記載の平面導波路素子。
ここで、ｍは０以上の整数、λは前記信号波の波長、ｎｗは光導波路の等価屈折率である。
【請求項９】
前記第１反射部は、前記第１反射部において前記信号波が反射する際に、反射後の前記信号波の位相が反射前の前記信号波の位相に対して変化しないように配置され、
前記光導波路の延在方向において、前記信号波が入力可能な端部から前記第１反射部までの距離は、前記信号波が起こすＯＢＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌｏｃｈ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ；光学的ブロッホ振動）の１／４周期長となっている、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項１０】
前記信号波が入力可能な端部を有する前記光導波路が延在する方向に、前記信号波が入力可能な端部から離れる向きを正とする座標軸をおいた場合に、前記３つ以上の光導波路の各々の延在方向に延びる直線と前記第１反射部との交点の前記座標軸における座標である第１反射位置は一定である、請求項９に記載の平面導波路素子。
【請求項１１】
前記第１反射部は、ＨＲコーティングである、請求項１〜３、９および１０のいずれか１項に記載の平面導波路素子。
【請求項１２】
前記第１反射部および前記第２反射部は、ＨＲコーティングである、請求項４〜８のいずれか１項に記載の平面導波路素子。
【請求項１３】
前記第１反射部は、フォトニック結晶であり、
前記信号波の周波数帯域は、前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内に位置する、請求項１〜３、９および１０のいずれか１項に記載の平面導波路素子。
【請求項１４】
前記第１反射部および前記第２反射部は、フォトニック結晶であり、
前記信号波の周波数帯域は、前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内に位置する、請求項４〜８のいずれか１項に記載の平面導波路素子。
【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２１】
【図２２】
【図２３】
【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２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２００８−１８０９４３（Ｐ２００８−１８０９４３Ａ）
【公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１４８４４（Ｐ２００７−１４８４４）
【出願日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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