平面導波路素子
【課題】出力側でのクロストークを低減し、分光された光がそれぞれ単一波長の光として、固有の出力側端面から出力することができる平面導波路素子を提供する。
【解決手段】それぞれの光導波路アレイにおける光導波路５，６においては、光導波路５，６の並ぶ方向において一方向に向かって、等価屈折率分布に勾配が形成されている。第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイの連結部は、光が第１光導波路アレイから第２光導波路アレイに伝搬する際に、ｍを整数として、この光が起こす光学的ブロッホ振動の位相が(２ｍ−１)×π変化するように形成されている。それぞれの光導波路アレイの光導波路の長さの平均値は、それぞれの光導波路アレイを伝搬する光が、光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に、光導波路５，６を伝搬する長さに略一致している。
【解決手段】それぞれの光導波路アレイにおける光導波路５，６においては、光導波路５，６の並ぶ方向において一方向に向かって、等価屈折率分布に勾配が形成されている。第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイの連結部は、光が第１光導波路アレイから第２光導波路アレイに伝搬する際に、ｍを整数として、この光が起こす光学的ブロッホ振動の位相が(２ｍ−１)×π変化するように形成されている。それぞれの光導波路アレイの光導波路の長さの平均値は、それぞれの光導波路アレイを伝搬する光が、光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に、光導波路５，６を伝搬する長さに略一致している。
【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、特に、光学的ブロッホ振動を利用して、波長多重化された光を分光し、分光された光のそれぞれを所望の出力側端面から出力する平面導波路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長多重（Wavelength Division Multiplexing：以下、「ＷＤＭ」と称す。）光通信においては、波長１．５５μｍ帯または波長１．３μｍ帯などの波長が異なる複数の光を多重化した信号光(以下、波長多重光と称す。)が１本の光ファイバにより伝送される。このＷＤＭ光通信により、大容量かつ高速の光通信が実現される。
【０００３】
ＷＤＭ光は、最終的に、波長ごとに指定されたポートから出力される。このため、出力する前に、ＷＤＭ光を分光する分光器が必要となる。分光器としては、光学的ブロッホ振動（Optical Bloch Oscillations：以下、「ＯＢＯ」と称す。）を利用した平面導波路素子（以下、「ＯＢＯ平面導波路素子」と称す。）が、非特許文献１〜３において提案されている。
【０００４】
以下、従来技術の一例として、非特許文献２に記載されたＯＢＯ平面導波路素子について説明する。図２２は、非特許文献２において開示されたＯＢＯ平面導波路素子を模式的に示す斜視図である。図２２に示すように、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１０１と、基板１０１上に並べて配置され、高分子材料からなり、光が伝搬する複数の光導波路１０２(光導波路アレイ)と、伝搬する光が光導波路１０２から漏れ出すことを防止する高分子クラッド層１０３とを備えている。複数の光導波路１０２の一方端には、光が入射する入力側端面１０４が設けられ、入力側端面１０４とは反対側の他方端には、光が出射する出力側端面１０５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１０２が並べられる方向における基板１０１の一方端に配置されたヒータ１０６と、ヒータ１０６とは反対側の他方端に配置されたヒートシンク１０７とを備えている。ヒータ１０６およびヒートシンク１０７により、基板１０１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２２において、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１０２中をＸ軸方向に振動しながら伝搬する光の道筋１０８を示している。なお、図２２においては、複数の光導波路１０２が並ぶ方向をＸ軸方向、各光導波路１０２の延在方向を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の製造方法について説明する。まず、光導波路１０２となる高分子材料を基板１０１上に堆積させる。その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１０２のパターンを形成する。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１０１上に光導波路１０２が形成される。その後、基板１０１上に、基板１０１における光導波路１０２が形成された面および光導波路１０２を覆うように、高分子クラッド層１０３を堆積させる。次に、基板１０１のＸ軸方向における一方の側端部にヒータ１０６を装着する。さらに、基板１０１のＸ軸方向における他方の側端部にヒートシンク１０７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１０２の端部の加工など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。ＯＢＯ平面導波路素子１００においては、ヒータ１０６およびヒートシンク１０７のはたらきにより、基板１０１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１０２のＸ軸方向における単位長さあたりの等価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を可変分光器として利用することができる。
【０００８】
一般に、高分子材料からなる光導波路１０２を有するＯＢＯ平面導波路素子１００においては、基板１０１が高温である位置における光導波路１０２の屈折率は、基板１０１が低温である位置における光導波路１０２の屈折率よりも高くなる。
【０００９】
ＯＢＯ平面導波路素子１００の使用時には、ヒータ１０６およびヒートシンク１０７の機能によって、基板１０１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、光の強度ピークが所定の１つの入力側端面１０４に位置するように、異なる波長を有するＷＤＭ光がＯＢＯ平面導波路素子１００中へ入力される。このとき、ＷＤＭ光に含まれるそれぞれの光は、伝搬する光導波路１０２から漏れ出し、その光導波路１０２と隣接する光導波路１０２に結合する。その結果、ＷＤＭ光は、Ｙ軸方向へ伝搬しながら、Ｘ軸方向においてＯＢＯを起こす。
【００１０】
一般に、光の波長が長くなるにつれて、ＯＢＯの振幅が大きくなる。つまり、ＯＢＯの性質によれば、光の波長毎にＯＢＯの振幅が異なる。また、ＯＢＯは、光導波路１０２のＸ軸方向の単位長さあたりの等価屈折率の差、すなわち光導波路１０２のＸ軸方向の等価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。
【００１１】
そのため、ＯＢＯ平面導波路素子１００内に入力されたＷＤＭ光は、ＯＢＯ平面導波路素子１００内を伝搬する道筋１０８が異なっている。つまり、ＷＤＭ光はＯＢＯ平面導波路素子１０内で分光されることになる。また、分光された光それぞれは、単一波長の光として、固有の出力側端面１０５から出力される。
【００１２】
また、ヒータ１０６およびヒートシンク１０７を用いて、基板１０１のＸ軸方向の温度分布の勾配を調整することで、光導波路１０２のＸ軸方向における等価屈折率分布の勾配が制御される。この等価屈折率分布の勾配の制御により、分光された光のＯＢＯの振幅を調整して、個々の光の出力側端面１０５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は可変分光器として利用することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】R.Morandotti, U.Peschel, and 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, and 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, and F.Lederer “Optical Bloch oscillations in waveguide arrays”, Optics Letters, Vol.23, No.21, 1701-1703 (1998).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ＷＤＭ光通信において通信速度を速めるために、波長１．５５μｍ帯または波長１．３μｍ帯などの限られた波長帯域内において、波長が異なるより多くの光を多重化する方策が採用され得る。ここで、多重化された光の全帯域幅は一定であるため、上記方策を実施するためには、多重化された光の波長間隔を短くする必要がある。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の構成においては、ＯＢＯの性質により、ＷＤＭ光に含まれるそれぞれの光のＯＢＯの振幅の差が小さくなる。
【００１５】
その結果、ＯＢＯ平面導波路素子１００内を伝搬する複数の光の道筋１０８において、ＯＢＯの振動方向(図２２のＸ軸方向)の間隔が狭くなる。そして、多重化された光のＯＢＯの振幅の差が光導波路１０２の中心間距離より短くなると、複数の光が同じ出力側端面１０５から出力される。この場合、分光された光それぞれが、単一波長の光として固有の出力側端面１０５から出力されず、ＯＢＯ平面導波路素子１００の出力側においてクロストークが生じ、分光器として十分機能しない。
【００１６】
本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであって、平面導波路素子中に入力されるＷＤＭ光に含まれる光同士の波長間隔が狭くなっても、出力側でのクロストークを低減し、分光された光がそれぞれ単一波長の光として、固有の出力側端面から出力することができる平面導波路素子を提供することを目的とすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に基づく平面導波路素子は、基板と、基板上に積層されたクラッド層と、クラッド層上に積層され、クラッド層より高い屈折率を有するガイド層とを備えている。ガイド層の上部には、略平行に並ぶように直線状に延在する複数の光導波路を含む光導波路アレイが、光の伝搬方向に連続して複数形成されている。それぞれの光導波路アレイは、光が入射する入射側端面を有する光導波路を少なくとも１つ含む。それぞれの光導波路アレイは、光が出射する出射側端面を有する光導波路を少なくとも２つ含む。それぞれの光導波路アレイにおける光導波路においては、光導波路の並ぶ方向において一方向に向かって、等価屈折率分布に勾配が形成されている。互いに隣接して形成された光導波路アレイにおいては、それぞれが含む入射側端面を有する光導波路と出射側端面を有する光導波路とが互いに所定の角度を有して連結され、光の入射側に形成された第１光導波路アレイの第１光導波路の出射側端面と、光の出射側に形成された第２光導波路アレイの第２光導波路の入射側端面とが接続されている。第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイの連結部は、光が第１光導波路アレイから第２光導波路アレイに伝搬する際に、ｍを整数として、この光が起こす光学的ブロッホ振動の位相が(２ｍ−１)×π変化するように形成されている。それぞれの光導波路アレイの光導波路の長さの平均値は、それぞれの光導波路アレイを伝搬する光が、光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に、光導波路を伝搬する長さに略一致している。
【００１８】
上記の平面導波路素子によれば、第１光導波路の長さが、第１光導波路に入射する光の光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に伝搬する長さにほぼ等しいため、第１光導波路を伝搬し終えた際に最も分光された後、第２光導波路に入射する。光がこの第２光導波路に入射する際に、光の光学的ブロッホ振動の位相が半波長の奇数倍変化することにより、光は第２光導波路に入射した後、さらに分光される。第２光導波路の長さが、第２光導波路に入射する光の光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に伝搬する長さにほぼ等しいため、第２光導波路を伝搬し終えた際に最も分光される。よって、波長多重光を上記の平面導波路素子に入射させることにより、出力側におけるクロストークを低減し、固有の出力側端面からそれぞれ単一波長の光を出力することができる。
【００１９】
好ましくは、それぞれの光導波路アレイにおいて、基板の上面において光導波路が延在する方向に直交する方向に、光導波路アレイにおける光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、光導波路が延在する方向に、入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸とからなる座標軸をおいた場合に、第１光導波路アレイにおけるＹ軸であるＹ1軸と第２光導波路アレイにおけるＹ軸であるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、第２光導波路同士の間のピッチをＰ2、第２光導波路の等価屈折率をｎ、光の平均波長をλとすると、Ｐ2×ｔａｎθ2＝(２ｍ−１)×λ／(２×ｎ)の関係を満たす。最も入射側に形成された第１光導波路アレイにおいては、第１光導波路の延在方向に延びる直線と第１光導波路の入射側端面とのすべての交点が、第１光導波路アレイの座標軸におけるＸ軸であるＸ1軸上に位置し、また、第１光導波路の延在方向に延びる直線と第１光導波路の出射側端面とのすべての交点が、第１光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ1座標に位置する。第２光導波路アレイにおいては、一の第２光導波路の延在方向に延びる直線と第１光導波路の出射側端面との交点の第２光導波路アレイの座標軸におけるＹ2座標が、この一の第２光導波路の低屈折率側に隣接する他の第２光導波路の延在方向に延びる直線と第１光導波路の出射側端面との交点の第２光導波路アレイの座標軸におけるＹ2座標から−Ｐ2×ｔａｎθ2変化した座標となり、また、第２光導波路の延在方向に延びる直線と第２光導波路の出射側端面とのすべての交点が、第２光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ2座標に位置している。
【００２０】
上記の平面導波路素子によれば、光が第１光導波路の出射側端面から第２光導波路の入射側端面に伝搬する際に、光の光学的ブロッホ振動の位相を半波長の奇数倍変化させることができる。
【００２１】
好ましくは、それぞれの光導波路アレイにおいて、基板の上面において光導波路が延在する方向に直交する方向に、光導波路アレイにおける光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、光導波路が延在する方向に、入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸とからなる座標軸をおいた場合に、第１光導波路アレイにおけるＹ軸であるＹ1軸と第２光導波路アレイにおけるＹ軸であるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、第１光導波路同士の間のピッチをＰ1、第２光導波路同士の間のピッチをＰ2とすると、Ｐ2＝Ｐ1×ｃｏｓ｜θ2｜の関係を満たす。
【００２２】
上記の平面導波路素子によれば、第１光導波路アレイにおける第１光導波路の等価屈折率分布の形状と、第２光導波路アレイにおける第２光導波路の等価屈折率分布の形状とが似るため、第１光導波路から第２光導波路に光が伝搬する際に、光の強度分布が大きく変化することがなく、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【００２３】
好ましくは、それぞれの光導波路アレイにおいて、基板の上面において光導波路が延在する方向に直交する方向に、光導波路アレイにおける光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、光導波路が延在する方向に、入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸とからなる座標軸をおいた場合に、第１光導波路アレイにおけるＹ軸であるＹ1軸と第２光導波路アレイにおけるＹ軸であるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、第１光導波路同士の間のピッチをＰ1、第２光導波路の等価屈折率をｎ、光の平均波長をλとすると、Ｐ1×ｔａｎθ2＝(２ｍ−１)×λ／(２×ｎ)の関係を満たす。第１光導波路アレイにおいては、第１光導波路の延在方向に延びる直線と第１光導波路の入射側端面とのすべての交点が、第１光導波路アレイの座標軸におけるＸ軸であるＸ1軸上に位置し、また、第１光導波路アレイの一の第１光導波路の延在方向に延びる直線と第１光導波路の出射側端面との交点の第１光導波路アレイの座標軸におけるＹ1座標が、この一の第１光導波路の低屈折率側に隣接する他の第１光導波路の延在方向に延びる直線と第１光導波路の出射側端面との交点の第１光導波路アレイの座標軸におけるＹ1座標からＰ1×ｔａｎθ2変化した座標となる。第２光導波路アレイにおいては、第２光導波路の延在方向に延びる直線と第２光導波路の入射側端面とのすべての交点が、第２光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ2座標に位置している。
【００２４】
上記の平面導波路素子によれば、光が第１光導波路の出射側端面から第２光導波路の入射側端面に伝搬する際に、光の光学的ブロッホ振動の位相を半波長の奇数倍変化させることができる。
【００２５】
好ましくは、それぞれの光導波路アレイにおいて、基板の上面において光導波路が延在する方向に直交する方向に、光導波路アレイにおける光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、光導波路が延在する方向に、入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸とからなる座標軸をおいた場合に、第１光導波路アレイにおけるＹ軸であるＹ1軸と第２光導波路アレイにおけるＹ軸であるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、第１光導波路同士の間のピッチをＰ1、第２光導波路同士の間のピッチをＰ2とすると、第２光導波路は、Ｐ2＝Ｐ1／ｃｏｓ｜θ2｜の関係を満たす。
【００２６】
上記の平面導波路素子によれば、第１光導波路アレイにおける第１光導波路の等価屈折率分布の形状と、第２光導波路アレイにおける第２光導波路の等価屈折率分布の形状とが似るため、第１光導波路から第２光導波路に光が伝搬する際に、光の強度分布が大きく変化することがなく、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【００２７】
好ましくは、それぞれの光導波路アレイにおいて、光導波路が並ぶ方向において一方向に向かって、光導波路の幅が広くなる。
【００２８】
上記の平面導波路素子によれば、それぞれの光導波路アレイにおいて、光導波路が並ぶ方向に一方向に向かって、等価屈折率分布に勾配が形成される。
【００２９】
好ましくは、それぞれの光導波路アレイおいて、光導波路の幅をＷ、光導波路同士の間のピッチをＰとすると、入射側端面において、Ｗ／Ｐ≧０．５５である。
【００３０】
上記の平面導波路素子によれば、結合定数の大きい光導波路において光学的ブロッホ振動が発現され、また、光導波路の結合定数が大きいことにより光導波路を伝搬する光の波長の違いによる光学的ブロッホ振動の振幅の変化量が大きくなる。よって、平面導波路素子の出力端面におけるクロストークを低減することができる。
【００３１】
好ましくは、光導波路が並ぶ方向における基板の一方の側面にヒータ、および、他方の側面にヒートシンクが形成されている。
【００３２】
上記の平面導波路素子によれば、それぞれの光導波路アレイにおいて、光導波路が並ぶ方向に一方向に向かって、等価屈折率分布に勾配が形成される。
【００３３】
好ましくは、それぞれの光導波路アレイおいて、光導波路の幅をＷ、光導波路同士の間のピッチをＰとすると、幅ＷおよびピッチＰのそれぞれが、Ｗ／Ｐ≧０．５５を満たしほぼ一定の値となる。
【００３４】
上記の平面導波路素子によれば、結合定数の大きい光導波路において光学的ブロッホ振動が発現され、また、光導波路の結合定数が大きいことにより光導波路を伝搬する光の波長の違いによる光学的ブロッホ振動の振幅の変化量が大きくなる。よって、平面導波路素子の出力端面におけるクロストークを低減することができる。
【００３５】
好ましくは、最も出射側に形成された第２光導波路アレイにおいて、第２光導波路の延在方向に延びる直線と第２光導波路の出射側端面とのすべての交点が、最も入射側に形成された第１光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ1座標に位置している。
【００３６】
上記の平面導波路素子によれば、基板劈開により平面導波路素子の入力端面および出力端面を容易に製作することができる。
【００３７】
好ましくは、最も出射側に形成された第２光導波路の出射側端面における光の光学的ブロッホ振動の位相をＹ、ｓを整数とすると、(２ｓ−５／４)π≦Ｙ≦(２ｓ−３／４)πである。
【００３８】
上記の平面導波路素子によれば、平面導波路素子の出力端面におけるクロストークを低減することができる。
【００３９】
好ましくは、θ2が、−２０°≦θ2≦２０°である。
上記の平面導波路素子によれば、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【００４０】
好ましくは、第１光導波路の仮想の中心線と、この第１光導波路に対応する第２光導波路の仮想の中心線との交点が、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの界面上に位置する。
【００４１】
上記の平面導波路素子によれば、第１光導波路のすべての出射側端面と第２光導波路のすべての入射側端面とが必ず接するため、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【００４２】
好ましくは、第１光導波路の出射側端面における第１光導波路の幅をＬ1、この第１光導波路に接続される第２光導波路の入射側端面における第２光導波路の幅をＬ2とすると、Ｌ1≦Ｌ2である。
【００４３】
上記の平面導波路素子によれば、第１光導波路の出射側端面の全面が第２光導波路の入射側端面と接するため、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【００４４】
好ましくは、光導波路アレイが半導体材料から形成され、光導波路同士の間のピッチが２．０μｍ以下、および、光導波路の高さが０．０５μｍ以下である。
【００４５】
上記の平面導波路素子によれば、結合定数の大きい光導波路において光学的ブロッホ振動が発現され、また、光導波路の結合定数が大きいことにより光導波路を伝搬する光の波長の違いによる光学的ブロッホ振動の振幅の変化量が大きくなる。よって、平面導波路素子の出力端面におけるクロストークを低減することができる。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、第１光導波路の長さが、第１光導波路に入射する光の光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に伝搬する長さにほぼ等しいため、第１光導波路を伝搬し終えた際に最も分光された後、第２光導波路に入射する。光がこの第２光導波路に入射する際に、光の光学的ブロッホ振動の位相が半波長の奇数倍変化することにより、光は第２光導波路に入射した後、さらに分光される。第２光導波路の長さが、第２光導波路に入射する光の光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に伝搬する長さにほぼ等しいため、第２光導波路を伝搬し終えた際に最も分光される。よって、波長多重光を上記の平面導波路素子に入射させることにより、出力側におけるクロストークを低減し、固有の出力側端面からそれぞれ単一波長の光を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態１に係るＯＢＯ平面導波路素子を模式的に示す平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図３】同実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子における第１光導波路アレイを模式的に示す平面図である。
【図４】同実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子における第２光導波路アレイを模式的に示す平面図である。
【図５】同実施形態における第１光導波路と第２光導波路との接続部を模式的に示す平面図である。
【図６】同実施形態においてガイド層の上面にレジストを塗布した状態を模式的に示す断面図である。
【図７】同実施形態において、レジスト膜をパターニングした状態を模式的に示す断面図である。
【図８】同実施形態において、ガイド層をエッチングして光導波路を形成している状態を模式的に示す断面図である。
【図９】第１光導波路アレイにおいて、Ｘ1軸方向における光の伝搬定数κ1と、Ｙ1軸方向における光の伝搬定数β1との関係を示すグラフである。
【図１０】第２光導波路アレイにおいて、Ｘ2軸方向における光の伝搬定数κ2と、Ｙ2軸方向における光の伝搬定数β2との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施形態２に係るＯＢＯ平面導波路素子を模式的に示す平面図である。
【図１２】図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図１３】同実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子における第１光導波路アレイを模式的に示す平面図である。
【図１４】同実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子における第２光導波路アレイを模式的に示す平面図である。
【図１５】同実施形態における第１光導波路と第２光導波路との接続部を模式的に示す平面図である。
【図１６】同実施形態において、レジスト膜をパターニングした状態を模式的に示す断面図である。
【図１７】同実施形態において、ガイド層をエッチングして光導波路を形成している状態を模式的に示す断面図である。
【図１８】同実施形態において、上部クラッド層を形成した状態を模式的に示す断面図である。
【図１９】同実施形態において、ヒータおよびヒートシンクを形成した状態を模式的に示す断面図である。
【図２０】本発明の実施形態３に係るＯＢＯ平面導波路素子を模式的に示す平面図である。
【図２１】図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図２２】非特許文献２において開示されたＯＢＯ平面導波路素子を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態１に係るＯＢＯ平面導波路素子を詳細に説明する。
【００４９】
実施形態１
図１は、本発明の実施形態１に係るＯＢＯ平面導波路素子を模式的に示す平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図１，２に示すように、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子１においては、基板としてＳｉ基板２を用いた。Ｓｉ基板２上に積層された下部クラッド層として、厚さが１μｍ程度のＳｉＯ2層３を用いた。ＳｉＯ2層３上に積層され、ＳｉＯ2層３より高い屈折率を有するガイド層として、厚さが０．２７μｍ程度のＳｉ層４を用いた。ガイド層４の上部においては、０．０４μｍ程度の高さを有する、複数の光導波路５，６が形成されている。
【００５０】
複数の光導波路５は、光が入射する入射側端面７および出射する出射側端面８を有している。本実施形態においては、すべての光導波路５が入射側端面７を有しているが、複数の光導波路５のうち、少なくとも１つの光導波路５が、入射側端面７を有していればよい。本実施形態においては、すべての光導波路５が出射側端面８を有しているが、複数の光導波路５のうち、少なくとも２つの光導波路５が、出射側端面８を有していればよい。光導波路５は、略平行に並ぶように直線状に延在している。
【００５１】
複数の光導波路６は、光が入射する入射側端面９および出射する出射側端面１０を有している。本実施形態においては、すべての光導波路６が入射側端面９を有しているが、複数の光導波路６のうち、少なくとも２つの光導波路６が、入射側端面９を有していればよい。本実施形態においては、すべての光導波路６が出射側端面１０を有しているが、複数の光導波路６のうち、少なくとも２つの光導波路６が、出射側端面１０を有していればよい。光導波路６は、略平行に並ぶように直線状に延在している。
【００５２】
複数の光導波路５を含む光導波路アレイと、複数の光導波路６を含む光導波路アレイとが、光の伝搬方向に連続して形成されている。本実施形態のＯＢＯ平面導波路素子１においては、光導波路アレイを２つ備えているが、３つ以上備えるようにしてもよい。それぞれの光導波路アレイにおける光導波路５，６においては、光導波路５，６の並ぶ方向において一方向に向かって、等価屈折率分布に勾配が形成されている。
【００５３】
互いに隣接して形成された光導波路アレイにおいては、それぞれが含む光導波路５，６が互いに所定の角度を有して連結されている。光の入射側に形成された第１光導波路アレイの第１光導波路５の出射側端面８と、光の出射側に形成された第２光導波路アレイの第２光導波路６の入射側端面９とが接続されている。
【００５４】
本実施形態のＯＢＯ平面導波路素子１においては、２つの光導波路を備えているため、最も光の入射側に形成された第１光導波路５の入射側端面７が、ＯＢＯ平面導波路素子１の入力端面１１となる。一方、最も光の出射側に形成された第２光導波路６の出射側端面１０が、ＯＢＯ平面導波路素子１の出力端面１２となる。
【００５５】
図３は、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子における第１光導波路アレイを模式的に示す平面図である。図４は、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子における第２光導波路アレイを模式的に示す平面図である。
【００５６】
なお、座標軸は、それぞれの光導波路アレイにおいて、基板の上面において光導波路が延在する方向に直交する方向に、光導波路アレイにおける光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、光導波路が延在する方向に、入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸と、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれに垂直なＺ軸とからなる。第１光導波路の座標軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、Ｘ1軸、Ｙ1軸およびＺ1軸とからなる。第２光導波路の座標軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、Ｘ2軸、Ｙ2軸およびＺ2軸とからなる。参照した図中に示す、Ｘ1，Ｘ2，Ｙ1，Ｙ2，Ｚ1，Ｚ2のそれぞれの矢印は、それぞれの座標軸の方向を示している。
【００５７】
図３に示すように、第１光導波路アレイにおける第１光導波路５の等価屈折率分布に勾配を形成するため、第１光導波路５の幅は、＋Ｘ1軸方向に向かって徐々に広くなっている。言い換えると、第１光導波路アレイにおいて、第１光導波路５が並ぶ方向において一方向に向かって、第１光導波路５の幅が広くなっている。
【００５８】
図４に示すように、第２光導波路アレイにおける第２光導波路６の等価屈折率分布に勾配を形成するため、第２光導波路６の幅は、＋Ｘ2軸方向に向かって徐々に広くなっている。言い換えると、第２光導波路アレイにおいて、第２光導波路６が並ぶ方向において一方向に向かって、第２光導波路６の幅が広くなっている。
【００５９】
本実施形態においては、第１光導波路５同士の間のピッチＰ1は２μｍで一定であり、第１光導波路５の幅は０．２μｍ以上１．７μｍ以下の範囲で＋Ｘ1軸方向に向かって広くなっている。第２光導波路６同士の間のピッチＰ2は１．９９μｍで一定であり、第２光導波路６の幅は０．３μｍ以上１．８μｍ以下の範囲に＋Ｘ2軸方向に向かって広くなっている。
【００６０】
第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイの連結部は、光が第１光導波路アレイから第２光導波路アレイに伝搬する際に、ｍを整数として、この光が起こす光学的ブロッホ振動の位相が(２ｍ−１)×π変化するように形成されている。具体的には、本実施形態のＯＢＯ平面導波路素子１においては、第１光導波路アレイにおけるＹ1軸と第２光導波路アレイにおけるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、および、第２光導波路６の入射側端面９の形成位置を決定して、第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイを連結している。
【００６１】
上記のθ2は、第２光導波路６同士の間のピッチをＰ2、第２光導波路の等価屈折率をｎ、光の平均波長をλとすると、Ｐ2×ｔａｎθ2＝(２ｍ−１)×λ／(２×ｎ)・・・式(１)の関係を満たしている。式（１）において、Ｐ2が１．９９μｍ、λが１．４μｍ、ｎが３．４８、ｍが０のとき、θ2は−５．８°である。このとき、第１光導波路５の出力側端面８から第２光導波路６の入射側端面９に光が伝搬した際に、ＯＢＯ位相が−π変化する。
【００６２】
最も光の入射側に形成された第１光導波路アレイにおいては、第１光導波路５の延在方向に延びる直線と第１光導波路５の入射側端面７とのすべての交点が、第１光導波路アレイの座標軸におけるＸ1軸上に位置し、また、第１光導波路５の延在方向に延びる直線と第１光導波路５の出射側端面８とのすべての交点が、第１光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ1座標に位置している。
【００６３】
第１光導波路アレイの第１光導波路５の長さは、第１光導波路アレイを伝搬する光が、光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に、第１光導波路５を伝搬する長さに略一致している。本実施形態においては、それぞれの第１光導波路５の長さは一定である。なお、光が、光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に、光導波路を伝搬する長さをＯＢＯの１／２周期長と称す。言い換えると、ＯＢＯの１／２周期長は、光導波路アレイを伝搬する光が起こすＯＢＯ位相がπ変化する間に、Ｙ軸方向において光が伝搬する距離のことをいう。本実施形態においては、第１光導波路５の長さは、１０００μｍである。
【００６４】
図５は、本実施形態における第１光導波路と第２光導波路との接続部を模式的に示す平面図である。図５に示すように、第２光導波路アレイにおいては、一の第２光導波路６の延在方向に延びる直線と第１光導波路５の出射側端面８との交点の第２光導波路アレイの座標軸におけるＹ2座標が、この一の第２光導波路６の低屈折率側に隣接する他の第２光導波路６の延在方向に延びる直線と第１光導波路５の出射側端面８との交点の第２光導波路アレイの座標軸におけるＹ2座標から−Ｐ2×ｔａｎθ2変化した座標となる。
【００６５】
なお、図５においては、説明の便宜上、一の第２光導波路６の延在方向に延びる直線と第１光導波路５の出射側端面８との交点のＹ2座標を０としたときに、その一の第２光導波路６の＋Ｘ2方向側に隣接する他の第２光導波路６の延在方向に延びる直線と第１光導波路５の出射側端面８との交点のＹ2座標が−Ｐ2×ｔａｎθ2となることを示している。
【００６６】
また、図１，４に示すように、第２光導波路６の延在方向に延びる直線と第２光導波路６の出射側端面１０とのすべての交点が、第２光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ2座標に位置している。
【００６７】
したがって、第２光導波路アレイにおいては、第２光導波路６のＹ2軸方向の長さが、＋Ｘ2軸方向に向かって、Ｐ2×ｔａｎθ2ずつ変化する。本実施形態においては、第２光導波路アレイにおける第２光導波路６のＹ2軸方向の長さは、＋Ｘ2軸方向に向かって０．２０２μｍずつ短くなる。
【００６８】
また、第２光導波路アレイの第２光導波路６の長さの平均値は、第２光導波路アレイを伝搬する光が、光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に、第２光導波路６を伝搬する長さに略一致している。本実施形態においては、第２光導波路６の平均長さは１０００μｍである。
【００６９】
図５に示すように、本実施形態においては、第２光導波路アレイにおける第２光導波路６同士の間のピッチＰ2と、第１光導波路アレイにおける第１光導波路５同士の間のピッチＰ1とは、Ｐ2＝Ｐ1×ｃｏｓ｜θ2｜の関係を満たす。
【００７０】
このように構成することにより、第１光導波路アレイにおける第１光導波路５の等価屈折率分布の形状と、第２光導波路アレイにおける第２光導波路６の等価屈折率分布の形状とが似るため、第１光導波路５から第２光導波路６に光が伝搬する際に、光の強度分布が大きく変化することがなく、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【００７１】
また、本実施形態においては、第１光導波路５の仮想の中心線１３と、この第１光導波路５に対応する第２光導波路６の仮想の中心線１４との交点１５が、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの界面１６上に位置している。このように構成することにより、第１光導波路５のすべての出射側端面８と第２光導波路６のすべての入射側端面９とが必ず接するため、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【００７２】
さらに、本実施形態においては、第１光導波路５の出射側端面８における第１光導波路５の幅をＬ1、この第１光導波路５に接続される第２光導波路６の入射側端面９における第２光導波路６の幅をＬ2とすると、Ｌ1≦Ｌ2である。このように構成することにより、第１光導波路５の出射側端面８の全面が第２光導波路６の入射側端面９と接するため、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【００７３】
以下、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子１の製造方法について説明する。図６は、本実施形態においてガイド層の上面にレジストを塗布した状態を模式的に示す断面図である。図６に示すように、まず、Ｓｉ基板２、ＳｉＯ2層３およびＳｉ層４が順に積層されたＳＯＩ基板が準備される。次に、Ｓｉ層４の上面に、０．３μｍの厚さでレジストを塗布することにより、レジスト膜１７が形成される。
【００７４】
図７は、本実施形態において、レジスト膜をパターニングした状態を模式的に示す断面図である。図７に示すように、電子線直接描画またはフォトリソグラフィによってレジスト膜１７を加工することにより、光導波路アレイを形成するためのレジストパターン１８が作製される。
【００７５】
本実施形態においては、電子線直接描画法を行なう場合には、電子線の照射電流が０．１ｎＡであり、かつ、１ドット当りの電子線のドーズ時間が４．５μｓｅｃである。また、フォトリソグラフィ法を行なう場合には、転写時間が１０ｓｅｃほどで、レジストパターン１８が作製される。
【００７６】
図８は、本実施形態において、ガイド層をエッチングして光導波路を形成している状態を模式的に示す断面図である。図８に示すように、レジストパターン１８をマスクとして、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を用いて、Ｓｉ層４がエッチングされる。Ｓｉ層４の上部が０．０４μｍ程度の深さまでをエッチングされることにより、第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイが作製される。
【００７７】
本実施形態においては、反応性イオンエッチングを行ない、エッチングガスとして塩素ガス２５ｓｃｃｍと窒素ガス１０ｓｃｃｍとの混合ガスを用い、エッチング圧力を０．１Ｐａ、かつＲＦ（Radio Frequency)パワーを２００Ｗとした。
【００７８】
次に、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子１の動作について説明する。図３に示すように、第１光導波路アレイの第１光導波路５の幅が、＋Ｘ1軸方向に向かうに従って徐々に広くなるため、第１光導波路アレイの第１光導波路５の等価屈折率分布に勾配が形成される。
【００７９】
そこに、光の強度分布１９のピークが所定の入射側端面７に位置するように、波長多重光がＯＢＯ平面導波路素子１中に入射される。入射した光は、伝搬する第１光導波路５から漏れ出し、隣接する第１光導波路５に結合する。その結果、波長多重光は＋Ｙ1軸方向に伝搬しながら、Ｘ1軸方向にＯＢＯを起こす。ＯＢＯの振幅は、光の波長が長くなるにつれて大きくなる。そのため、波長多重光のＯＢＯ平面導波路素子１内での道筋２０は、光の波長によって異なる。その結果、波長多重光は第１光導波路アレイにより分光される。
【００８０】
第１光導波路アレイにより分光された複数の光は、図４に示すように、第２光導波路アレイのそれぞれの入射側端面９から第２光導波路６に入射する。第２光導波路６の幅は、＋Ｘ2方向に向かうに従って徐々に広くなるため、第２光導波路アレイにおける第２光導波路６の等価屈折率分布に勾配が形成される。入射した複数の光はそれぞれ、伝搬する第２光導波路６から漏れ出し、隣接する第２光導波路６に結合する。その結果、Ｙ2軸方向に伝搬しながら、Ｘ2軸方向にＯＢＯを起こす。
【００８１】
次に、光導波路アレイを複数連結することによる効果を示す。図９は、第１光導波路アレイにおいて、Ｘ1軸方向における光の伝搬定数κ1と、Ｙ1軸方向における光の伝搬定数β1との関係を示すグラフである。ここで、Ｘ1軸方向における光の群速度ｖ1は、図９に示すグラフの傾きと一致し、ｖ1＝−∂β1／∂κ1で表される。なお、図３において、＋Ｘ1軸方向の向きをｖ1の正方向とする。
【００８２】
図３に示すように、ＯＢＯ平面導波路素子１の入射側端面７に入射された光は、点ａに位置している状態では、κ＝０となる。この光の状態は、図９において点Ａに対応し、点ａに位置している光のｖ1は０となる。この光は、第１光導波路アレイを伝搬することで、Ｙ1軸方向に伝搬しながらＸ1軸方向においてＯＢＯを起こす。光は、＋Ｘ1軸方向にシフトしながら伝搬し、図３に示す点ａから出射側端面８の点ｂに向かう。第１光導波路５の長さは、ＯＢＯのほぼ１／２周期長であるため、点ｂに位置している光の状態は、図９において点Ｂに対応し、点ｂに位置している光のＯＢＯ位相は、ほぼπとなっている。
【００８３】
図１０は、第２光導波路アレイにおいて、Ｘ2軸方向における光の伝搬定数κ2と、Ｙ2軸方向における光の伝搬定数β2との関係を示すグラフである。ここで、Ｘ2軸方向における光の群速度ｖ2は、図１０に示すグラフの傾きと一致し、ｖ2＝−∂β2／∂κ2で表される。なお、図４において、＋Ｘ2軸方向の向きをｖ2の正方向とする。
【００８４】
第１光導波路５の出射側端面８から出射された光は、第２光導波路６の入射側端面９に入射する。第１光導波路５の出射側端面８から第２光導波路６の入射側端面９に光が伝搬した際に、ＯＢＯ位相が−π変化するように角θ2、および、第２光導波路６の入射側端面９の形成位置を決定して、第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイを連結している。その結果、第２光導波路アレイにおけるＯＢＯの初期位相は０となる。したがって、点ｃに位置している光の状態は、図１０に示す点Ｃに対応し、点ｃに位置している光のｖ2は０となる。
【００８５】
この光は、第２光導波路６アレイを伝搬することで、Ｙ2軸方向に伝搬しながらＸ2軸方向においてＯＢＯを起こす。光は、＋Ｘ2軸方向にシフトしながら伝搬し、図４に示す点ｃから出射側端面１０の点ｄに向かう。第２光導波路５の平均の長さは、ＯＢＯのほぼ１／２周期長であるため、点ｄに位置している光の状態は、図１０の点Ｄに対応し、点ｄに位置している光のＯＢＯ位相は、ほぼπとなっている。
【００８６】
本実施形態においては、λ1の波長を有する光と、λ1より小さい波長であるλ2の波長を有する光を含む波長多重光を第１光導波路５の入射側端面７に入射させた。たとえば、λ1は１５５０ｎｍ、λ2は１３００ｎｍである。λ1の波長を有する光およびλ2の波長を有する光は、ＯＢＯの位相が０からπへ変化するまで、第１光導波路５を伝搬する。
【００８７】
λ1の波長を有する光のＯＢＯ振幅がＡ1である場合、λ1の波長を有する光は、＋Ｘ1軸方向において、入射側端面７の位置からＡ1シフトした位置の出力側端面８から出射される。λ2の波長を有する光のＯＢＯ振幅がＡ2である場合、λ2の波長を有する光は、＋Ｘ1軸方向において、入射側端面７の位置からＡ2シフトした位置の出力側端面８から出射される。なお、ＯＢＯの特性より、Ａ1＞Ａ2である。
【００８８】
第１光導波路５の出射側端面８から出射したλ1の波長を有する光およびλ2の波長を有する光は、第２光導波路６の入射側端面９に入射するが、図４に示すように、光の波長によって入射する位置が異なる。λ2の波長を有する光の入射位置から＋Ｘ2軸方向に、(Ａ1−Ａ2)ｃｏｓ(｜θ2｜)シフトした位置に、λ1の波長を有する光が入射する。
【００８９】
上記のように、それぞれ異なる位置の入射側端面９に入射したλ1の波長を有する光およびλ2の波長を有する光は、ＯＢＯの位相がほぼ０からπへ変化するまで、第２光導波路６を伝搬する。
【００９０】
λ1の波長を有する光のＯＢＯ振幅がＢ1である場合、λ1の波長を有する光は、＋Ｘ2軸方向において、入射側端面９の位置からＢ1シフトした位置の出力側端面１０から出射される。λ2の波長を有する光のＯＢＯ振幅がＢ2である場合、λ2の波長を有する光は、＋Ｘ2軸方向において、入射側端面９の位置からＢ2シフトした位置の出力側端面１０から出射される。したがって、Ｘ2軸方向において、λ1の波長を有する光とλ2の波長を有する光との入射側端面９の位置が(Ａ1−Ａ2)ｃｏｓ(｜θ2｜)異なるため、図１に示すように、Ｘ2軸方向において、λ1の波長を有する光とλ2の波長を有する光との出射側端面１０の位置が(Ａ1−Ａ2)ｃｏｓ(｜θ2｜)＋(Ｂ1−Ｂ2)異なる。
【００９１】
本実施形態のように連結される光導波路アレイを複数設けることにより、ＯＢＯ平面導波路素子１における光の波長の違いによる道筋２０の相違が大きくなる。このため、ＯＢＯ平面導波路素子１の出力端面１２におけるクロストークが低減され、ＯＢＯ平面導波路素子１で分光された光はそれぞれ、単一波長の光として、出力端面１２の固有の出力側端面１０から出力される。
【００９２】
なお、θ2が、−２０°≦θ2≦２０°であることが好ましい。このように構成することにより、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【００９３】
また、それぞれの光導波路アレイおいて、光導波路の幅をＷ、光導波路同士の間のピッチをＰとすると、入射側端面において、Ｗ／Ｐ≧０．５５であることが好ましい。このように構成することにより、結合定数の大きい光導波路において光学的ブロッホ振動が発現されるようになる。数値計算によると光導波路の結合定数が高い領域においてＯＢＯ振幅は大きくなり、それに従って光の波長の違いによるＯＢＯ振幅の変化量も大きくなる。よって、平面導波路素子の出力端面１２におけるクロストークを低減することができる。
【００９４】
さらに、本実施形態においては、光導波路アレイが半導体材料から形成され、光導波路同士の間のピッチが２．０μｍ以下、および、光導波路の高さが０．０５μｍ以下であることが好ましい。このように構成することにより、光導波路の結合定数が高くなり、光の波長の違いによる道筋２０の相違を大きくすることができる。
【００９５】
入射側端面に位置する光のＯＢＯ位相と、その入射側端面に接続された出射側端面に位置する光のＯＢＯ位相との差が(２ｍ−１)×πとなるのであれば、それぞれの光導波路アレイ同士の連結部は、他の構造であってもよい。
【００９６】
最も光の出射側に形成された第２光導波路アレイにおいて、第２光導波路６の延在方向に延びる直線と第２光導波路６の出射側端面１０とのすべての交点が、最も光の入射側に形成された第１光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ1座標に位置しているようにしてもよい。この場合、出力端面１２は、入力端面１１に平行となり、入力端面１１および出力端面１２が、Ｓｉ基板２の結晶面と平行になるように形成することにより、Ｓｉ基板劈開により入力端面１１と出力端面１２が容易に作製される。
【００９７】
さらに、最も光の出射側に形成された第２光導波路６の出射側端面１０における光の光学的ブロッホ振動の位相をＹ、ｓを整数とすると、(２ｓ−５／４)π≦Ｙ≦(２ｓ−３／４)πであるようにすることが好ましい。このように構成することにより、ＯＢＯ平面導波路素子１の出力端面１２におけるクロストークを低減することができる。
【００９８】
なお、基板を取り除き、クラッド層を下地基板として、ＯＢＯ平面導波路素子を作製してもよい。また、光導波路として光が伝搬できるもので、クラッド層を構成する材料に比べて屈折率が高い材料であれば、ガイド層の材料としてはＳｉに限られず、たとえば、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰなどを用いてもよい。クラッド層の材料としては、ガイド層の材料に比べて屈折率が低い材料であればＳｉＯ2に限られず、たとえば、Ａｌ2Ｏ3、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓなどを用いてもよい。
【００９９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態２に係るＯＢＯ平面導波路素子を詳細に説明する。なお、実施形態２においては、実施形態１に係るＯＢＯ平面導波路素子の各部位と対応する部位のそれぞれには、実施形態１において説明したＯＢＯ平面導波路素子の参照符号の一桁目が同一である参照符号が付されている。したがって、一桁目の数字が同一である参照符号が付された対応する部位同士は、同一の構造及び機能を有するため、特に必要がない限り、それらの部位の説明は繰り返さない。
【０１００】
実施形態２
図１１は、本発明の実施形態２に係るＯＢＯ平面導波路素子を模式的に示す平面図である。図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図１１，１２に示すように、本発明の実施形態２に係るＯＢＯ平面導波路素子３１は、実施形態１に係るＯＢＯ平面導波路素子１と比較すると、光導波路の形状および光導波路アレイの連結部の構造が異なる。
【０１０１】
本実施形態においては、図１１に示すように、それぞれの光導波路アレイにおいて、光導波路の幅がほぼ一定である。また、図１２に示すように、光導波路アレイの伝搬損失を抑制するために、それぞれの光導波路アレイ全体を覆うようにしてＳｉＯ2からなる上部クラッド層５１が設けられている。なお、図１１においては、上部クラッド層５１の図示を省略している。
【０１０２】
本実施形態においては、基板であるＳｉ基板３２、下部クラッド層であるＳｉＯ2層３３、ガイド層であるＳｉ層３４、上部クラッド層であるＳｉＯ2層５１のＸ軸方向に温度勾配を形成するため、Ｓｉ基板３２の一方の側面にヒータ５２、および、他方の側面にヒートシンク５３が形成されている。ヒータ５２およびヒートシンク５３は、Ｓｉ基板３２から上部クラッド層であるＳｉＯ2層５１までの側面を覆うように形成されてもよい。ＯＢＯ平面導波路素子３１の出力端面４２は、ＯＢＯ平面導波路素子３１の入力端面４１と、ほぼ平行に形成されている。
【０１０３】
図１３は、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子における第１光導波路アレイを模式的に示す平面図である。図１４は、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子における第２光導波路アレイを模式的に示す平面図である。
【０１０４】
なお、座標軸は、それぞれの光導波路アレイにおいて、基板の上面において光導波路が延在する方向に直交する方向に、光導波路アレイにおける光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、光導波路が延在する方向に、入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸と、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれに垂直なＺ軸とからなる。第１光導波路の座標軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、Ｘ1軸、Ｙ1軸およびＺ1軸とからなる。第２光導波路の座標軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、Ｘ2軸、Ｙ2軸およびＺ2軸とからなる。参照した図中に示す、Ｘ1，Ｘ2，Ｙ1，Ｙ2，Ｚ1，Ｚ2のそれぞれの矢印は、それぞれの座標軸の方向を示している。
【０１０５】
図１３，１４に示すように、第１光導波路３５はほぼ平行に並ぶように直線状に延在している。第２光導波路３６はほぼ平行に並ぶように直線状に延在している。第１光導波路３５の幅は、第１光導波路アレイにおいて一定である。第２光導波路３６の幅は、第２光導波路アレイにおいて一定である。
【０１０６】
第１光導波路３５同士の間のピッチＰ1は１．９９μｍで一定となり、第１光導波路３５の幅は１．２μｍで一定である。第２光導波路３６同士の間のピッチＰ2は２μｍで一定であり、第２光導波路３６の幅は１．３μｍで一定である。
【０１０７】
第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイの連結部は、光が第１光導波路アレイから第２光導波路アレイに伝搬する際に、ｍを整数として、この光が起こす光学的ブロッホ振動の位相が(２ｍ−１)×π変化するように形成されている。具体的には、本実施形態のＯＢＯ平面導波路素子１においては、第１光導波路アレイにおけるＹ1軸と第２光導波路アレイにおけるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、および、第１光導波路３５の出射側端面３８の形成位置を決定して、第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイを連結している。
【０１０８】
上記のθ2は、第２光導波路６同士の間のピッチをＰ2、第２光導波路の等価屈折率をｎ、光の平均波長をλとすると、Ｐ1×ｔａｎθ2＝(２ｍ−１)×λ／(２×ｎ)・・・式(２)の関係を満たしている。式（２）において、Ｐ1が１．９９μｍ、λが１．４μｍ、ｎが３．４８、ｍが０のとき、θ2は−５．８°である。このとき、第１光導波路３５の出力側端面３８から第２光導波路３６の入射側端面３９に光が伝搬した際に、ＯＢＯ位相が−π変化する。
【０１０９】
図１３に示すように、第１光導波路アレイにおいては、第１光導波路３５の延在方向に延びる直線と第１光導波路３５の入射側端面３７とのすべての交点が、第１光導波路アレイの座標軸におけるＸ1軸上に位置している。
【０１１０】
図１５は、本実施形態における第１光導波路と第２光導波路との接続部を模式的に示す平面図である。図１５に示すように、第１光導波路アレイの一の第１光導波路３５の延在方向に延びる直線と第１光導波路３５の出射側端面３８との交点の第１光導波路アレイの座標軸におけるＹ1座標が、この一の第１光導波路３５の低屈折率側に隣接する他の第１光導波路３５の延在方向に延びる直線と第１光導波路３５の出射側端面３８との交点の第１光導波路アレイの座標軸におけるＹ1座標からＰ1×ｔａｎθ2変化した座標となる。
【０１１１】
なお、図１５においては、説明の便宜上、一の第１光導波路３５の延在方向に延びる直線と第１光導波路３５の出射側端面３８との交点のＹ1座標を０としたときに、その一の第１光導波路３５の＋Ｘ1方向側に隣接する他の第１光導波路３５の延在方向に延びる直線と第１光導波路３５の出射側端面３８との交点のＹ1座標がＰ1×ｔａｎθ2となることを示している。
【０１１２】
したがって、第１光導波路アレイにおいては、第１光導波路３５のＹ1軸方向の長さが、＋Ｘ1軸方向に向かって、Ｐ1×ｔａｎθ2ずつ変化する。本実施形態においては、第１光導波路アレイにおける第１光導波路３５のＹ1軸方向の長さは、＋Ｘ1軸方向に向かって０．２０２μｍずつ短くなる。
【０１１３】
また、第１光導波路アレイの第１光導波路３５の長さの平均値は、第１光導波路アレイを伝搬する光が、光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に、第１光導波路３５を伝搬する長さに略一致している。本実施形態においては、第１光導波路３５の平均長さは１０００μｍである。
【０１１４】
最も光の出射側に形成された第２光導波路アレイにおいては、第２光導波路３６の延在方向に延びる直線と第２光導波路３６の入射側端面３９とのすべての交点が、第２光導波路アレイの座標軸におけるＸ2軸上に位置し、また、第２光導波路３６の延在方向に延びる直線と第２光導波路３６の出射側端面４０とのすべての交点が、第１光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ1座標に位置している。よって、ＯＢＯ平面導波路素子３１の入力端面４１とほぼ平行になるように、出力端面４２が形成されている。
【０１１５】
また、第２光導波路アレイの第２光導波路３６の長さの平均値は、第２光導波路アレイを伝搬する光が、光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に、第２光導波路３６を伝搬する長さに略一致している。本実施形態においては、第２光導波路３６の平均長さは１０００μｍである。
【０１１６】
図１５に示すように、本実施形態においては、第２光導波路アレイにおける第２光導波路３６同士の間のピッチＰ2と、第１光導波路アレイにおける第１光導波路３５同士の間のピッチＰ1とは、Ｐ2＝Ｐ1／ｃｏｓ｜θ2｜の関係を満たす。
【０１１７】
このように構成することにより、第１光導波路アレイにおける第１光導波路３５の等価屈折率分布の形状と、第２光導波路アレイにおける第２光導波路３６の等価屈折率分布の形状とが似るため、第１光導波路３５から第２光導波路３６に光が伝搬する際に、光の強度分布が大きく変化することがなく、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【０１１８】
以下、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子３１の製造方法について説明する。図１６は、本実施形態において、レジスト膜をパターニングした状態を模式的に示す断面図である。図１６に示すように、ＳＯＩ基板上に形成されたレジスト膜を電子線直接描画またはフォトリソグラフィによって加工することにより、光導波路アレイを形成するためのレジストパターン４８が作製される。
【０１１９】
図１７は、本実施形態において、ガイド層をエッチングして光導波路を形成している状態を模式的に示す断面図である。図１７に示すように、レジストパターン４８をマスクとして、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を用いて、Ｓｉ層３４がエッチングされる。Ｓｉ層３４の上部が０．０４μｍ程度の深さまでをエッチングされることにより、第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイが作製される。
【０１２０】
図１８は、本実施形態において、上部クラッド層を形成した状態を模式的に示す断面図である。図１８に示すように、レジストパターン４８を除去した後に、蒸着法、スパッタ法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイを覆うように、上部クラッド層となるＳｉＯ2層５１を堆積させる。
【０１２１】
本実施形態においては、ＳｉＯ2層５１の膜厚は２００ｎｍとしたが、この値に限定されず、それぞれの光導波路アレイにおける伝搬損失を抑制することが可能であれば他の値でもよい。
【０１２２】
図１９は、本実施形態において、ヒータおよびヒートシンクを形成した状態を模式的に示す断面図である。図１９に示すように、スパッタリング法または蒸着法を用いて、Ｓｉ基板３２、ＳｉＯ2層３３、Ｓｉ層３４、ＳｉＯ2層５１の＋Ｘ軸方向側の側面に、ヒータ５２となる窒化タンタル膜を形成する。また、スパッタリング法または蒸着法を用いて、Ｓｉ基板３２、ＳｉＯ2層３３、Ｓｉ層３４、ＳｉＯ2層５１の−Ｘ軸方向側の側面に、ヒートシンク５３となる窒化アルミ膜を形成する。その後、Ｓｉ基板３２の結晶面に沿って基板劈開を行なうことにより、ＯＢＯ平面導波路素子３１の入力端面４１と出力端面４２が形成される。
【０１２３】
次に、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子３１の動作について説明する。ヒータ５２によって、ＯＢＯ平面導波路素子３１において、Ｓｉ基板３２、ＳｉＯ2層３３、Ｓｉ層３４、ＳｉＯ2層５１のＸ軸方向の温度分布に勾配が形成される。Ｓｉ基板３２の温度は、ヒータ５２に近づくにつれて高くなる。一般に、半導体材料は高温になると屈折率が高くなるので、ヒータ５２側にある第１光導波路３５の屈折率は、ヒートシンク５３側に位置する第１光導波路３５の屈折率よりも高くなる。したがって、第１光導波路アレイにおける第１光導波路３５の等価屈折率の分布に勾配が形成される。
【０１２４】
そこに、図１３に示すように、光の強度分布４９のピークが所定の入射側端面３７に位置するように、波長多重光がＯＢＯ平面導波路素子３１中に入射される。入射した光は、ＯＢＯを起こして光の波長によって異なる道筋５０に進み、波長多重光は第１光導波路アレイにより分光される。
【０１２５】
第２光導波路アレイにおいても、第１光導波路アレイと同様に、第２光導波路３６の等価屈折率の分布に勾配が形成されている。そのため、図１４に示すように、第１光導波路アレイにおいて分光された複数の光は、第２光導波路アレイのそれぞれの入射側端面３９から第２光導波路３６に入射し、Ｙ2軸方向に伝搬しながらＸ2軸方向にＯＢＯを起こす。
【０１２６】
本実施形態においては、λ1の波長を有する光と、λ1より小さい波長であるλ2の波長を有する光を含む波長多重光を第１光導波路３５の入射側端面３７に入射させた。たとえば、λ1は１５５０ｎｍ、λ2は１３００ｎｍである。λ1の波長を有する光のＯＢＯ振幅がＣ1である場合、λ1の波長を有する光は、＋Ｘ1軸方向において、入射側端面３７の位置からＣ1シフトした位置の出力側端面３８から出射される。λ2の波長を有する光のＯＢＯ振幅がＣ2である場合、λ2の波長を有する光は、＋Ｘ1軸方向において、入射側端面３７の位置からＣ2シフトした位置の出力側端面３８から出射される。
【０１２７】
第１光導波路３５の出射側端面３８から出射したλ1の波長を有する光およびλ2の波長を有する光は、第２光導波路３６の入射側端面３９に入射するが、図１４に示すように、光の波長によって入射する位置が異なる。λ2の波長を有する光の入射位置から＋Ｘ2軸方向に、(Ｃ1−Ｃ2)／ｃｏｓ(｜θ2｜)シフトした位置に、λ1の波長を有する光が入射する。
【０１２８】
上記のように、それぞれ異なる位置の入射側端面３９に入射したλ1の波長を有する光およびλ2の波長を有する光は、ＯＢＯの位相がほぼ０からπへ変化するまで、第２光導波路３６を伝搬する。
【０１２９】
λ1の波長を有する光のＯＢＯ振幅がＤ1である場合、λ1の波長を有する光は、＋Ｘ2軸方向において、入射側端面３９の位置からＤ1シフトした位置の出力側端面４０から出射される。λ2の波長を有する光のＯＢＯ振幅がＤ2である場合、λ2の波長を有する光は、＋Ｘ2軸方向において、入射側端面３９の位置からＤ2シフトした位置の出力側端面４０から出射される。したがって、Ｘ2軸方向において、λ1の波長を有する光とλ2の波長を有する光との入射側端面９の位置が(Ｃ1−Ｃ2)／ｃｏｓ(｜θ2｜)異なるため、図１１に示すように、Ｘ2軸方向において、λ1の波長を有する光とλ2の波長を有する光との出射側端面４０の位置が(Ｃ1−Ｃ2)／ｃｏｓ(｜θ2｜)＋(Ｄ1−Ｄ2)異なる。
【０１３０】
本実施形態においては、ヒータの温度を調節することによって、それぞれの光導波路アレイの光導波路の等価屈折率分布の勾配の傾きを調整することができる。ＯＢＯの振幅が光導波路の等価屈折率分布の勾配の傾きによって変化するため、ヒータの温度調節により、ＯＢＯ平面導波路素子３１において分光される各波長の光の出力先を変更することできる。よって、ＯＢＯ平面導波路素子３１は可変分光器としての機能を有する。
【０１３１】
また、それぞれの光導波路アレイおいて、光導波路の幅をＷ、光導波路同士の間のピッチをＰとすると、入射側端面において、Ｗ／Ｐ≧０．５５であることが好ましい。このように構成することにより、結合定数の大きい光導波路において光学的ブロッホ振動が発現されるようになる。数値計算によると光導波路の結合定数が高い領域においてＯＢＯ振幅は大きくなり、それに従って光の波長の違いによるＯＢＯ振幅の変化量も大きくなる。
【０１３２】
本実施形態におけるＯＢＯ平面導波路素子３１によれば、第１光導波路３５の長さが、第１光導波路３５に入射する光の光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に伝搬する長さにほぼ等しいため、第１光導波路３５を伝搬し終えた際に最も分光された後、第２光導波路３６に入射する。光がこの第２光導波路３６に入射する際に、光の光学的ブロッホ振動の位相が半波長の奇数倍変化することにより、光は第２光導波路３６に入射した後、さらに分光される。第２光導波路３６の長さが、第２光導波路３６に入射する光の光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に伝搬する長さにほぼ等しいため、第２光導波路３６を伝搬し終えた際に最も分光される。よって、波長多重光をＯＢＯ平面導波路素子３１に入射させることにより、出力側におけるクロストークを低減し、固有の出力側端面からそれぞれ単一波長の光を出力することができる。他の構成については、実施形態１のＯＢＯ平面導波路素子１と同様であるため、説明を繰り返さない。
【０１３３】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態３に係るＯＢＯ平面導波路素子を詳細に説明する。なお、実施形態３においては、実施形態１に係るＯＢＯ平面導波路素子の各部位と対応する部位のそれぞれには、実施形態１において説明したＯＢＯ平面導波路素子の参照符号の一桁目が同一である参照符号が付されている。したがって、一桁目の数字が同一である参照符号が付された対応する部位同士は、同一の構造及び機能を有するため、特に必要がない限り、それらの部位の説明は繰り返さない。
【０１３４】
実施形態３
図２０は、本発明の実施形態３に係るＯＢＯ平面導波路素子を模式的に示す平面図である。図２１は、図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ線矢印方向から見た断面図である。図２０，２１に示すように、本発明の実施形態３に係るＯＢＯ平面導波路素子６１は、実施形態１に係るＯＢＯ平面導波路素子１と比較すると、それぞれの光導波路アレイ全体を覆うようにしてＳｉＯ2からなる上部クラッド層８１が設けられている。なお、図２１においては、上部クラッド層８１の図示を省略している。
【０１３５】
また、基板であるＳｉ基板６２、下部クラッド層であるＳｉＯ2層６３、ガイド層であるＳｉ層６４、上部クラッド層であるＳｉＯ2層８１のＸ軸方向に温度勾配を形成するため、Ｓｉ基板６２の一方の側面にヒータ８２、および、他方の側面にヒートシンク８３が形成されている。
【０１３６】
さらに、ＯＢＯ平面導波路素子６１の出力端面７２が、入力端面７１とほぼ平行に形成されている。実施形態２のＯＢＯ平面導波路素子３１と同様に本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子６１は可変分光器としての機能を有する。
【０１３７】
また、ヒータ８２を動作させない場合においても、第１光導波路６５および第２光導波路６６の幅が、＋Ｘ軸方向に向かうに従って徐々に広くなるように形成されているため、第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイの光導波路の等価屈折率分布に勾配が形成される。よって、ヒータ８２を動作させない場合においても、ＯＢＯ平面導波路素子６１を伝搬する光がＯＢＯを起こし、波長多重光はＯＢＯ平面導波路素子６１内で分光される。このように、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子６１は、ヒータ８２を備えることにより可変分光器としての機能を有するとともに、ヒータ８２を動作させない状態においても光を分光することができるため、消費電力の低減を図ることができる。他の構成については、実施形態１または実施形態２のＯＢＯ平面導波路素子１，３１と同様であるため、説明を繰り返さない。
【０１３８】
なお、今回開示した上記実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、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。
【符号の説明】
【０１３９】
１，３１，６１，１００ 平面導波路素子、２，３２，６２，１０１ 基板、３，３３，６３ クラッド層、４，３４，６４ ガイド層、５，３５，６５ 第１光導波路、６，３６，６６ 第２光導波路、７，９，３７，３９ 入射側端面、８，１０，３８，４０ 出力側端面、１１，４１，７１ 入力端面、１２，４２，７２ 出力端面、１３ 中心線、１４ 中心線、１５ 交点、１６ 界面、１７ レジスト膜、１８，４８ レジストパターン、１９，４９ 光の強度分布、２０，５０，１０８ 光の道筋、５１，８１ 上部クラッド層、５２，８２，１０６ ヒータ、５３，８３，１０７ ヒートシンク、１０２ 光導波路、１０３ 高分子クラッド層、１０４ 入力側端面、１０５ 出力側端面。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面導波路素子に関し、特に、光学的ブロッホ振動を利用して、波長多重化された光を分光し、分光された光のそれぞれを所望の出力側端面から出力する平面導波路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長多重（Wavelength Division Multiplexing：以下、「ＷＤＭ」と称す。）光通信においては、波長１．５５μｍ帯または波長１．３μｍ帯などの波長が異なる複数の光を多重化した信号光(以下、波長多重光と称す。)が１本の光ファイバにより伝送される。このＷＤＭ光通信により、大容量かつ高速の光通信が実現される。
【０００３】
ＷＤＭ光は、最終的に、波長ごとに指定されたポートから出力される。このため、出力する前に、ＷＤＭ光を分光する分光器が必要となる。分光器としては、光学的ブロッホ振動（Optical Bloch Oscillations：以下、「ＯＢＯ」と称す。）を利用した平面導波路素子（以下、「ＯＢＯ平面導波路素子」と称す。）が、非特許文献１〜３において提案されている。
【０００４】
以下、従来技術の一例として、非特許文献２に記載されたＯＢＯ平面導波路素子について説明する。図２２は、非特許文献２において開示されたＯＢＯ平面導波路素子を模式的に示す斜視図である。図２２に示すように、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１０１と、基板１０１上に並べて配置され、高分子材料からなり、光が伝搬する複数の光導波路１０２(光導波路アレイ)と、伝搬する光が光導波路１０２から漏れ出すことを防止する高分子クラッド層１０３とを備えている。複数の光導波路１０２の一方端には、光が入射する入力側端面１０４が設けられ、入力側端面１０４とは反対側の他方端には、光が出射する出力側端面１０５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１０２が並べられる方向における基板１０１の一方端に配置されたヒータ１０６と、ヒータ１０６とは反対側の他方端に配置されたヒートシンク１０７とを備えている。ヒータ１０６およびヒートシンク１０７により、基板１０１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２２において、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１０２中をＸ軸方向に振動しながら伝搬する光の道筋１０８を示している。なお、図２２においては、複数の光導波路１０２が並ぶ方向をＸ軸方向、各光導波路１０２の延在方向を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の製造方法について説明する。まず、光導波路１０２となる高分子材料を基板１０１上に堆積させる。その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１０２のパターンを形成する。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１０１上に光導波路１０２が形成される。その後、基板１０１上に、基板１０１における光導波路１０２が形成された面および光導波路１０２を覆うように、高分子クラッド層１０３を堆積させる。次に、基板１０１のＸ軸方向における一方の側端部にヒータ１０６を装着する。さらに、基板１０１のＸ軸方向における他方の側端部にヒートシンク１０７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１０２の端部の加工など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。ＯＢＯ平面導波路素子１００においては、ヒータ１０６およびヒートシンク１０７のはたらきにより、基板１０１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１０２のＸ軸方向における単位長さあたりの等価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を可変分光器として利用することができる。
【０００８】
一般に、高分子材料からなる光導波路１０２を有するＯＢＯ平面導波路素子１００においては、基板１０１が高温である位置における光導波路１０２の屈折率は、基板１０１が低温である位置における光導波路１０２の屈折率よりも高くなる。
【０００９】
ＯＢＯ平面導波路素子１００の使用時には、ヒータ１０６およびヒートシンク１０７の機能によって、基板１０１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、光の強度ピークが所定の１つの入力側端面１０４に位置するように、異なる波長を有するＷＤＭ光がＯＢＯ平面導波路素子１００中へ入力される。このとき、ＷＤＭ光に含まれるそれぞれの光は、伝搬する光導波路１０２から漏れ出し、その光導波路１０２と隣接する光導波路１０２に結合する。その結果、ＷＤＭ光は、Ｙ軸方向へ伝搬しながら、Ｘ軸方向においてＯＢＯを起こす。
【００１０】
一般に、光の波長が長くなるにつれて、ＯＢＯの振幅が大きくなる。つまり、ＯＢＯの性質によれば、光の波長毎にＯＢＯの振幅が異なる。また、ＯＢＯは、光導波路１０２のＸ軸方向の単位長さあたりの等価屈折率の差、すなわち光導波路１０２のＸ軸方向の等価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。
【００１１】
そのため、ＯＢＯ平面導波路素子１００内に入力されたＷＤＭ光は、ＯＢＯ平面導波路素子１００内を伝搬する道筋１０８が異なっている。つまり、ＷＤＭ光はＯＢＯ平面導波路素子１０内で分光されることになる。また、分光された光それぞれは、単一波長の光として、固有の出力側端面１０５から出力される。
【００１２】
また、ヒータ１０６およびヒートシンク１０７を用いて、基板１０１のＸ軸方向の温度分布の勾配を調整することで、光導波路１０２のＸ軸方向における等価屈折率分布の勾配が制御される。この等価屈折率分布の勾配の制御により、分光された光のＯＢＯの振幅を調整して、個々の光の出力側端面１０５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は可変分光器として利用することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】R.Morandotti, U.Peschel, and 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, and 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, and F.Lederer “Optical Bloch oscillations in waveguide arrays”, Optics Letters, Vol.23, No.21, 1701-1703 (1998).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ＷＤＭ光通信において通信速度を速めるために、波長１．５５μｍ帯または波長１．３μｍ帯などの限られた波長帯域内において、波長が異なるより多くの光を多重化する方策が採用され得る。ここで、多重化された光の全帯域幅は一定であるため、上記方策を実施するためには、多重化された光の波長間隔を短くする必要がある。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の構成においては、ＯＢＯの性質により、ＷＤＭ光に含まれるそれぞれの光のＯＢＯの振幅の差が小さくなる。
【００１５】
その結果、ＯＢＯ平面導波路素子１００内を伝搬する複数の光の道筋１０８において、ＯＢＯの振動方向(図２２のＸ軸方向)の間隔が狭くなる。そして、多重化された光のＯＢＯの振幅の差が光導波路１０２の中心間距離より短くなると、複数の光が同じ出力側端面１０５から出力される。この場合、分光された光それぞれが、単一波長の光として固有の出力側端面１０５から出力されず、ＯＢＯ平面導波路素子１００の出力側においてクロストークが生じ、分光器として十分機能しない。
【００１６】
本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであって、平面導波路素子中に入力されるＷＤＭ光に含まれる光同士の波長間隔が狭くなっても、出力側でのクロストークを低減し、分光された光がそれぞれ単一波長の光として、固有の出力側端面から出力することができる平面導波路素子を提供することを目的とすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に基づく平面導波路素子は、基板と、基板上に積層されたクラッド層と、クラッド層上に積層され、クラッド層より高い屈折率を有するガイド層とを備えている。ガイド層の上部には、略平行に並ぶように直線状に延在する複数の光導波路を含む光導波路アレイが、光の伝搬方向に連続して複数形成されている。それぞれの光導波路アレイは、光が入射する入射側端面を有する光導波路を少なくとも１つ含む。それぞれの光導波路アレイは、光が出射する出射側端面を有する光導波路を少なくとも２つ含む。それぞれの光導波路アレイにおける光導波路においては、光導波路の並ぶ方向において一方向に向かって、等価屈折率分布に勾配が形成されている。互いに隣接して形成された光導波路アレイにおいては、それぞれが含む入射側端面を有する光導波路と出射側端面を有する光導波路とが互いに所定の角度を有して連結され、光の入射側に形成された第１光導波路アレイの第１光導波路の出射側端面と、光の出射側に形成された第２光導波路アレイの第２光導波路の入射側端面とが接続されている。第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイの連結部は、光が第１光導波路アレイから第２光導波路アレイに伝搬する際に、ｍを整数として、この光が起こす光学的ブロッホ振動の位相が(２ｍ−１)×π変化するように形成されている。それぞれの光導波路アレイの光導波路の長さの平均値は、それぞれの光導波路アレイを伝搬する光が、光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に、光導波路を伝搬する長さに略一致している。
【００１８】
上記の平面導波路素子によれば、第１光導波路の長さが、第１光導波路に入射する光の光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に伝搬する長さにほぼ等しいため、第１光導波路を伝搬し終えた際に最も分光された後、第２光導波路に入射する。光がこの第２光導波路に入射する際に、光の光学的ブロッホ振動の位相が半波長の奇数倍変化することにより、光は第２光導波路に入射した後、さらに分光される。第２光導波路の長さが、第２光導波路に入射する光の光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に伝搬する長さにほぼ等しいため、第２光導波路を伝搬し終えた際に最も分光される。よって、波長多重光を上記の平面導波路素子に入射させることにより、出力側におけるクロストークを低減し、固有の出力側端面からそれぞれ単一波長の光を出力することができる。
【００１９】
好ましくは、それぞれの光導波路アレイにおいて、基板の上面において光導波路が延在する方向に直交する方向に、光導波路アレイにおける光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、光導波路が延在する方向に、入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸とからなる座標軸をおいた場合に、第１光導波路アレイにおけるＹ軸であるＹ1軸と第２光導波路アレイにおけるＹ軸であるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、第２光導波路同士の間のピッチをＰ2、第２光導波路の等価屈折率をｎ、光の平均波長をλとすると、Ｐ2×ｔａｎθ2＝(２ｍ−１)×λ／(２×ｎ)の関係を満たす。最も入射側に形成された第１光導波路アレイにおいては、第１光導波路の延在方向に延びる直線と第１光導波路の入射側端面とのすべての交点が、第１光導波路アレイの座標軸におけるＸ軸であるＸ1軸上に位置し、また、第１光導波路の延在方向に延びる直線と第１光導波路の出射側端面とのすべての交点が、第１光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ1座標に位置する。第２光導波路アレイにおいては、一の第２光導波路の延在方向に延びる直線と第１光導波路の出射側端面との交点の第２光導波路アレイの座標軸におけるＹ2座標が、この一の第２光導波路の低屈折率側に隣接する他の第２光導波路の延在方向に延びる直線と第１光導波路の出射側端面との交点の第２光導波路アレイの座標軸におけるＹ2座標から−Ｐ2×ｔａｎθ2変化した座標となり、また、第２光導波路の延在方向に延びる直線と第２光導波路の出射側端面とのすべての交点が、第２光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ2座標に位置している。
【００２０】
上記の平面導波路素子によれば、光が第１光導波路の出射側端面から第２光導波路の入射側端面に伝搬する際に、光の光学的ブロッホ振動の位相を半波長の奇数倍変化させることができる。
【００２１】
好ましくは、それぞれの光導波路アレイにおいて、基板の上面において光導波路が延在する方向に直交する方向に、光導波路アレイにおける光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、光導波路が延在する方向に、入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸とからなる座標軸をおいた場合に、第１光導波路アレイにおけるＹ軸であるＹ1軸と第２光導波路アレイにおけるＹ軸であるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、第１光導波路同士の間のピッチをＰ1、第２光導波路同士の間のピッチをＰ2とすると、Ｐ2＝Ｐ1×ｃｏｓ｜θ2｜の関係を満たす。
【００２２】
上記の平面導波路素子によれば、第１光導波路アレイにおける第１光導波路の等価屈折率分布の形状と、第２光導波路アレイにおける第２光導波路の等価屈折率分布の形状とが似るため、第１光導波路から第２光導波路に光が伝搬する際に、光の強度分布が大きく変化することがなく、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【００２３】
好ましくは、それぞれの光導波路アレイにおいて、基板の上面において光導波路が延在する方向に直交する方向に、光導波路アレイにおける光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、光導波路が延在する方向に、入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸とからなる座標軸をおいた場合に、第１光導波路アレイにおけるＹ軸であるＹ1軸と第２光導波路アレイにおけるＹ軸であるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、第１光導波路同士の間のピッチをＰ1、第２光導波路の等価屈折率をｎ、光の平均波長をλとすると、Ｐ1×ｔａｎθ2＝(２ｍ−１)×λ／(２×ｎ)の関係を満たす。第１光導波路アレイにおいては、第１光導波路の延在方向に延びる直線と第１光導波路の入射側端面とのすべての交点が、第１光導波路アレイの座標軸におけるＸ軸であるＸ1軸上に位置し、また、第１光導波路アレイの一の第１光導波路の延在方向に延びる直線と第１光導波路の出射側端面との交点の第１光導波路アレイの座標軸におけるＹ1座標が、この一の第１光導波路の低屈折率側に隣接する他の第１光導波路の延在方向に延びる直線と第１光導波路の出射側端面との交点の第１光導波路アレイの座標軸におけるＹ1座標からＰ1×ｔａｎθ2変化した座標となる。第２光導波路アレイにおいては、第２光導波路の延在方向に延びる直線と第２光導波路の入射側端面とのすべての交点が、第２光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ2座標に位置している。
【００２４】
上記の平面導波路素子によれば、光が第１光導波路の出射側端面から第２光導波路の入射側端面に伝搬する際に、光の光学的ブロッホ振動の位相を半波長の奇数倍変化させることができる。
【００２５】
好ましくは、それぞれの光導波路アレイにおいて、基板の上面において光導波路が延在する方向に直交する方向に、光導波路アレイにおける光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、光導波路が延在する方向に、入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸とからなる座標軸をおいた場合に、第１光導波路アレイにおけるＹ軸であるＹ1軸と第２光導波路アレイにおけるＹ軸であるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、第１光導波路同士の間のピッチをＰ1、第２光導波路同士の間のピッチをＰ2とすると、第２光導波路は、Ｐ2＝Ｐ1／ｃｏｓ｜θ2｜の関係を満たす。
【００２６】
上記の平面導波路素子によれば、第１光導波路アレイにおける第１光導波路の等価屈折率分布の形状と、第２光導波路アレイにおける第２光導波路の等価屈折率分布の形状とが似るため、第１光導波路から第２光導波路に光が伝搬する際に、光の強度分布が大きく変化することがなく、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【００２７】
好ましくは、それぞれの光導波路アレイにおいて、光導波路が並ぶ方向において一方向に向かって、光導波路の幅が広くなる。
【００２８】
上記の平面導波路素子によれば、それぞれの光導波路アレイにおいて、光導波路が並ぶ方向に一方向に向かって、等価屈折率分布に勾配が形成される。
【００２９】
好ましくは、それぞれの光導波路アレイおいて、光導波路の幅をＷ、光導波路同士の間のピッチをＰとすると、入射側端面において、Ｗ／Ｐ≧０．５５である。
【００３０】
上記の平面導波路素子によれば、結合定数の大きい光導波路において光学的ブロッホ振動が発現され、また、光導波路の結合定数が大きいことにより光導波路を伝搬する光の波長の違いによる光学的ブロッホ振動の振幅の変化量が大きくなる。よって、平面導波路素子の出力端面におけるクロストークを低減することができる。
【００３１】
好ましくは、光導波路が並ぶ方向における基板の一方の側面にヒータ、および、他方の側面にヒートシンクが形成されている。
【００３２】
上記の平面導波路素子によれば、それぞれの光導波路アレイにおいて、光導波路が並ぶ方向に一方向に向かって、等価屈折率分布に勾配が形成される。
【００３３】
好ましくは、それぞれの光導波路アレイおいて、光導波路の幅をＷ、光導波路同士の間のピッチをＰとすると、幅ＷおよびピッチＰのそれぞれが、Ｗ／Ｐ≧０．５５を満たしほぼ一定の値となる。
【００３４】
上記の平面導波路素子によれば、結合定数の大きい光導波路において光学的ブロッホ振動が発現され、また、光導波路の結合定数が大きいことにより光導波路を伝搬する光の波長の違いによる光学的ブロッホ振動の振幅の変化量が大きくなる。よって、平面導波路素子の出力端面におけるクロストークを低減することができる。
【００３５】
好ましくは、最も出射側に形成された第２光導波路アレイにおいて、第２光導波路の延在方向に延びる直線と第２光導波路の出射側端面とのすべての交点が、最も入射側に形成された第１光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ1座標に位置している。
【００３６】
上記の平面導波路素子によれば、基板劈開により平面導波路素子の入力端面および出力端面を容易に製作することができる。
【００３７】
好ましくは、最も出射側に形成された第２光導波路の出射側端面における光の光学的ブロッホ振動の位相をＹ、ｓを整数とすると、(２ｓ−５／４)π≦Ｙ≦(２ｓ−３／４)πである。
【００３８】
上記の平面導波路素子によれば、平面導波路素子の出力端面におけるクロストークを低減することができる。
【００３９】
好ましくは、θ2が、−２０°≦θ2≦２０°である。
上記の平面導波路素子によれば、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【００４０】
好ましくは、第１光導波路の仮想の中心線と、この第１光導波路に対応する第２光導波路の仮想の中心線との交点が、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの界面上に位置する。
【００４１】
上記の平面導波路素子によれば、第１光導波路のすべての出射側端面と第２光導波路のすべての入射側端面とが必ず接するため、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【００４２】
好ましくは、第１光導波路の出射側端面における第１光導波路の幅をＬ1、この第１光導波路に接続される第２光導波路の入射側端面における第２光導波路の幅をＬ2とすると、Ｌ1≦Ｌ2である。
【００４３】
上記の平面導波路素子によれば、第１光導波路の出射側端面の全面が第２光導波路の入射側端面と接するため、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【００４４】
好ましくは、光導波路アレイが半導体材料から形成され、光導波路同士の間のピッチが２．０μｍ以下、および、光導波路の高さが０．０５μｍ以下である。
【００４５】
上記の平面導波路素子によれば、結合定数の大きい光導波路において光学的ブロッホ振動が発現され、また、光導波路の結合定数が大きいことにより光導波路を伝搬する光の波長の違いによる光学的ブロッホ振動の振幅の変化量が大きくなる。よって、平面導波路素子の出力端面におけるクロストークを低減することができる。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、第１光導波路の長さが、第１光導波路に入射する光の光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に伝搬する長さにほぼ等しいため、第１光導波路を伝搬し終えた際に最も分光された後、第２光導波路に入射する。光がこの第２光導波路に入射する際に、光の光学的ブロッホ振動の位相が半波長の奇数倍変化することにより、光は第２光導波路に入射した後、さらに分光される。第２光導波路の長さが、第２光導波路に入射する光の光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に伝搬する長さにほぼ等しいため、第２光導波路を伝搬し終えた際に最も分光される。よって、波長多重光を上記の平面導波路素子に入射させることにより、出力側におけるクロストークを低減し、固有の出力側端面からそれぞれ単一波長の光を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態１に係るＯＢＯ平面導波路素子を模式的に示す平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図３】同実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子における第１光導波路アレイを模式的に示す平面図である。
【図４】同実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子における第２光導波路アレイを模式的に示す平面図である。
【図５】同実施形態における第１光導波路と第２光導波路との接続部を模式的に示す平面図である。
【図６】同実施形態においてガイド層の上面にレジストを塗布した状態を模式的に示す断面図である。
【図７】同実施形態において、レジスト膜をパターニングした状態を模式的に示す断面図である。
【図８】同実施形態において、ガイド層をエッチングして光導波路を形成している状態を模式的に示す断面図である。
【図９】第１光導波路アレイにおいて、Ｘ1軸方向における光の伝搬定数κ1と、Ｙ1軸方向における光の伝搬定数β1との関係を示すグラフである。
【図１０】第２光導波路アレイにおいて、Ｘ2軸方向における光の伝搬定数κ2と、Ｙ2軸方向における光の伝搬定数β2との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施形態２に係るＯＢＯ平面導波路素子を模式的に示す平面図である。
【図１２】図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図１３】同実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子における第１光導波路アレイを模式的に示す平面図である。
【図１４】同実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子における第２光導波路アレイを模式的に示す平面図である。
【図１５】同実施形態における第１光導波路と第２光導波路との接続部を模式的に示す平面図である。
【図１６】同実施形態において、レジスト膜をパターニングした状態を模式的に示す断面図である。
【図１７】同実施形態において、ガイド層をエッチングして光導波路を形成している状態を模式的に示す断面図である。
【図１８】同実施形態において、上部クラッド層を形成した状態を模式的に示す断面図である。
【図１９】同実施形態において、ヒータおよびヒートシンクを形成した状態を模式的に示す断面図である。
【図２０】本発明の実施形態３に係るＯＢＯ平面導波路素子を模式的に示す平面図である。
【図２１】図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図２２】非特許文献２において開示されたＯＢＯ平面導波路素子を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態１に係るＯＢＯ平面導波路素子を詳細に説明する。
【００４９】
実施形態１
図１は、本発明の実施形態１に係るＯＢＯ平面導波路素子を模式的に示す平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図１，２に示すように、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子１においては、基板としてＳｉ基板２を用いた。Ｓｉ基板２上に積層された下部クラッド層として、厚さが１μｍ程度のＳｉＯ2層３を用いた。ＳｉＯ2層３上に積層され、ＳｉＯ2層３より高い屈折率を有するガイド層として、厚さが０．２７μｍ程度のＳｉ層４を用いた。ガイド層４の上部においては、０．０４μｍ程度の高さを有する、複数の光導波路５，６が形成されている。
【００５０】
複数の光導波路５は、光が入射する入射側端面７および出射する出射側端面８を有している。本実施形態においては、すべての光導波路５が入射側端面７を有しているが、複数の光導波路５のうち、少なくとも１つの光導波路５が、入射側端面７を有していればよい。本実施形態においては、すべての光導波路５が出射側端面８を有しているが、複数の光導波路５のうち、少なくとも２つの光導波路５が、出射側端面８を有していればよい。光導波路５は、略平行に並ぶように直線状に延在している。
【００５１】
複数の光導波路６は、光が入射する入射側端面９および出射する出射側端面１０を有している。本実施形態においては、すべての光導波路６が入射側端面９を有しているが、複数の光導波路６のうち、少なくとも２つの光導波路６が、入射側端面９を有していればよい。本実施形態においては、すべての光導波路６が出射側端面１０を有しているが、複数の光導波路６のうち、少なくとも２つの光導波路６が、出射側端面１０を有していればよい。光導波路６は、略平行に並ぶように直線状に延在している。
【００５２】
複数の光導波路５を含む光導波路アレイと、複数の光導波路６を含む光導波路アレイとが、光の伝搬方向に連続して形成されている。本実施形態のＯＢＯ平面導波路素子１においては、光導波路アレイを２つ備えているが、３つ以上備えるようにしてもよい。それぞれの光導波路アレイにおける光導波路５，６においては、光導波路５，６の並ぶ方向において一方向に向かって、等価屈折率分布に勾配が形成されている。
【００５３】
互いに隣接して形成された光導波路アレイにおいては、それぞれが含む光導波路５，６が互いに所定の角度を有して連結されている。光の入射側に形成された第１光導波路アレイの第１光導波路５の出射側端面８と、光の出射側に形成された第２光導波路アレイの第２光導波路６の入射側端面９とが接続されている。
【００５４】
本実施形態のＯＢＯ平面導波路素子１においては、２つの光導波路を備えているため、最も光の入射側に形成された第１光導波路５の入射側端面７が、ＯＢＯ平面導波路素子１の入力端面１１となる。一方、最も光の出射側に形成された第２光導波路６の出射側端面１０が、ＯＢＯ平面導波路素子１の出力端面１２となる。
【００５５】
図３は、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子における第１光導波路アレイを模式的に示す平面図である。図４は、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子における第２光導波路アレイを模式的に示す平面図である。
【００５６】
なお、座標軸は、それぞれの光導波路アレイにおいて、基板の上面において光導波路が延在する方向に直交する方向に、光導波路アレイにおける光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、光導波路が延在する方向に、入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸と、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれに垂直なＺ軸とからなる。第１光導波路の座標軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、Ｘ1軸、Ｙ1軸およびＺ1軸とからなる。第２光導波路の座標軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、Ｘ2軸、Ｙ2軸およびＺ2軸とからなる。参照した図中に示す、Ｘ1，Ｘ2，Ｙ1，Ｙ2，Ｚ1，Ｚ2のそれぞれの矢印は、それぞれの座標軸の方向を示している。
【００５７】
図３に示すように、第１光導波路アレイにおける第１光導波路５の等価屈折率分布に勾配を形成するため、第１光導波路５の幅は、＋Ｘ1軸方向に向かって徐々に広くなっている。言い換えると、第１光導波路アレイにおいて、第１光導波路５が並ぶ方向において一方向に向かって、第１光導波路５の幅が広くなっている。
【００５８】
図４に示すように、第２光導波路アレイにおける第２光導波路６の等価屈折率分布に勾配を形成するため、第２光導波路６の幅は、＋Ｘ2軸方向に向かって徐々に広くなっている。言い換えると、第２光導波路アレイにおいて、第２光導波路６が並ぶ方向において一方向に向かって、第２光導波路６の幅が広くなっている。
【００５９】
本実施形態においては、第１光導波路５同士の間のピッチＰ1は２μｍで一定であり、第１光導波路５の幅は０．２μｍ以上１．７μｍ以下の範囲で＋Ｘ1軸方向に向かって広くなっている。第２光導波路６同士の間のピッチＰ2は１．９９μｍで一定であり、第２光導波路６の幅は０．３μｍ以上１．８μｍ以下の範囲に＋Ｘ2軸方向に向かって広くなっている。
【００６０】
第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイの連結部は、光が第１光導波路アレイから第２光導波路アレイに伝搬する際に、ｍを整数として、この光が起こす光学的ブロッホ振動の位相が(２ｍ−１)×π変化するように形成されている。具体的には、本実施形態のＯＢＯ平面導波路素子１においては、第１光導波路アレイにおけるＹ1軸と第２光導波路アレイにおけるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、および、第２光導波路６の入射側端面９の形成位置を決定して、第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイを連結している。
【００６１】
上記のθ2は、第２光導波路６同士の間のピッチをＰ2、第２光導波路の等価屈折率をｎ、光の平均波長をλとすると、Ｐ2×ｔａｎθ2＝(２ｍ−１)×λ／(２×ｎ)・・・式(１)の関係を満たしている。式（１）において、Ｐ2が１．９９μｍ、λが１．４μｍ、ｎが３．４８、ｍが０のとき、θ2は−５．８°である。このとき、第１光導波路５の出力側端面８から第２光導波路６の入射側端面９に光が伝搬した際に、ＯＢＯ位相が−π変化する。
【００６２】
最も光の入射側に形成された第１光導波路アレイにおいては、第１光導波路５の延在方向に延びる直線と第１光導波路５の入射側端面７とのすべての交点が、第１光導波路アレイの座標軸におけるＸ1軸上に位置し、また、第１光導波路５の延在方向に延びる直線と第１光導波路５の出射側端面８とのすべての交点が、第１光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ1座標に位置している。
【００６３】
第１光導波路アレイの第１光導波路５の長さは、第１光導波路アレイを伝搬する光が、光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に、第１光導波路５を伝搬する長さに略一致している。本実施形態においては、それぞれの第１光導波路５の長さは一定である。なお、光が、光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に、光導波路を伝搬する長さをＯＢＯの１／２周期長と称す。言い換えると、ＯＢＯの１／２周期長は、光導波路アレイを伝搬する光が起こすＯＢＯ位相がπ変化する間に、Ｙ軸方向において光が伝搬する距離のことをいう。本実施形態においては、第１光導波路５の長さは、１０００μｍである。
【００６４】
図５は、本実施形態における第１光導波路と第２光導波路との接続部を模式的に示す平面図である。図５に示すように、第２光導波路アレイにおいては、一の第２光導波路６の延在方向に延びる直線と第１光導波路５の出射側端面８との交点の第２光導波路アレイの座標軸におけるＹ2座標が、この一の第２光導波路６の低屈折率側に隣接する他の第２光導波路６の延在方向に延びる直線と第１光導波路５の出射側端面８との交点の第２光導波路アレイの座標軸におけるＹ2座標から−Ｐ2×ｔａｎθ2変化した座標となる。
【００６５】
なお、図５においては、説明の便宜上、一の第２光導波路６の延在方向に延びる直線と第１光導波路５の出射側端面８との交点のＹ2座標を０としたときに、その一の第２光導波路６の＋Ｘ2方向側に隣接する他の第２光導波路６の延在方向に延びる直線と第１光導波路５の出射側端面８との交点のＹ2座標が−Ｐ2×ｔａｎθ2となることを示している。
【００６６】
また、図１，４に示すように、第２光導波路６の延在方向に延びる直線と第２光導波路６の出射側端面１０とのすべての交点が、第２光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ2座標に位置している。
【００６７】
したがって、第２光導波路アレイにおいては、第２光導波路６のＹ2軸方向の長さが、＋Ｘ2軸方向に向かって、Ｐ2×ｔａｎθ2ずつ変化する。本実施形態においては、第２光導波路アレイにおける第２光導波路６のＹ2軸方向の長さは、＋Ｘ2軸方向に向かって０．２０２μｍずつ短くなる。
【００６８】
また、第２光導波路アレイの第２光導波路６の長さの平均値は、第２光導波路アレイを伝搬する光が、光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に、第２光導波路６を伝搬する長さに略一致している。本実施形態においては、第２光導波路６の平均長さは１０００μｍである。
【００６９】
図５に示すように、本実施形態においては、第２光導波路アレイにおける第２光導波路６同士の間のピッチＰ2と、第１光導波路アレイにおける第１光導波路５同士の間のピッチＰ1とは、Ｐ2＝Ｐ1×ｃｏｓ｜θ2｜の関係を満たす。
【００７０】
このように構成することにより、第１光導波路アレイにおける第１光導波路５の等価屈折率分布の形状と、第２光導波路アレイにおける第２光導波路６の等価屈折率分布の形状とが似るため、第１光導波路５から第２光導波路６に光が伝搬する際に、光の強度分布が大きく変化することがなく、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【００７１】
また、本実施形態においては、第１光導波路５の仮想の中心線１３と、この第１光導波路５に対応する第２光導波路６の仮想の中心線１４との交点１５が、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの界面１６上に位置している。このように構成することにより、第１光導波路５のすべての出射側端面８と第２光導波路６のすべての入射側端面９とが必ず接するため、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【００７２】
さらに、本実施形態においては、第１光導波路５の出射側端面８における第１光導波路５の幅をＬ1、この第１光導波路５に接続される第２光導波路６の入射側端面９における第２光導波路６の幅をＬ2とすると、Ｌ1≦Ｌ2である。このように構成することにより、第１光導波路５の出射側端面８の全面が第２光導波路６の入射側端面９と接するため、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【００７３】
以下、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子１の製造方法について説明する。図６は、本実施形態においてガイド層の上面にレジストを塗布した状態を模式的に示す断面図である。図６に示すように、まず、Ｓｉ基板２、ＳｉＯ2層３およびＳｉ層４が順に積層されたＳＯＩ基板が準備される。次に、Ｓｉ層４の上面に、０．３μｍの厚さでレジストを塗布することにより、レジスト膜１７が形成される。
【００７４】
図７は、本実施形態において、レジスト膜をパターニングした状態を模式的に示す断面図である。図７に示すように、電子線直接描画またはフォトリソグラフィによってレジスト膜１７を加工することにより、光導波路アレイを形成するためのレジストパターン１８が作製される。
【００７５】
本実施形態においては、電子線直接描画法を行なう場合には、電子線の照射電流が０．１ｎＡであり、かつ、１ドット当りの電子線のドーズ時間が４．５μｓｅｃである。また、フォトリソグラフィ法を行なう場合には、転写時間が１０ｓｅｃほどで、レジストパターン１８が作製される。
【００７６】
図８は、本実施形態において、ガイド層をエッチングして光導波路を形成している状態を模式的に示す断面図である。図８に示すように、レジストパターン１８をマスクとして、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を用いて、Ｓｉ層４がエッチングされる。Ｓｉ層４の上部が０．０４μｍ程度の深さまでをエッチングされることにより、第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイが作製される。
【００７７】
本実施形態においては、反応性イオンエッチングを行ない、エッチングガスとして塩素ガス２５ｓｃｃｍと窒素ガス１０ｓｃｃｍとの混合ガスを用い、エッチング圧力を０．１Ｐａ、かつＲＦ（Radio Frequency)パワーを２００Ｗとした。
【００７８】
次に、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子１の動作について説明する。図３に示すように、第１光導波路アレイの第１光導波路５の幅が、＋Ｘ1軸方向に向かうに従って徐々に広くなるため、第１光導波路アレイの第１光導波路５の等価屈折率分布に勾配が形成される。
【００７９】
そこに、光の強度分布１９のピークが所定の入射側端面７に位置するように、波長多重光がＯＢＯ平面導波路素子１中に入射される。入射した光は、伝搬する第１光導波路５から漏れ出し、隣接する第１光導波路５に結合する。その結果、波長多重光は＋Ｙ1軸方向に伝搬しながら、Ｘ1軸方向にＯＢＯを起こす。ＯＢＯの振幅は、光の波長が長くなるにつれて大きくなる。そのため、波長多重光のＯＢＯ平面導波路素子１内での道筋２０は、光の波長によって異なる。その結果、波長多重光は第１光導波路アレイにより分光される。
【００８０】
第１光導波路アレイにより分光された複数の光は、図４に示すように、第２光導波路アレイのそれぞれの入射側端面９から第２光導波路６に入射する。第２光導波路６の幅は、＋Ｘ2方向に向かうに従って徐々に広くなるため、第２光導波路アレイにおける第２光導波路６の等価屈折率分布に勾配が形成される。入射した複数の光はそれぞれ、伝搬する第２光導波路６から漏れ出し、隣接する第２光導波路６に結合する。その結果、Ｙ2軸方向に伝搬しながら、Ｘ2軸方向にＯＢＯを起こす。
【００８１】
次に、光導波路アレイを複数連結することによる効果を示す。図９は、第１光導波路アレイにおいて、Ｘ1軸方向における光の伝搬定数κ1と、Ｙ1軸方向における光の伝搬定数β1との関係を示すグラフである。ここで、Ｘ1軸方向における光の群速度ｖ1は、図９に示すグラフの傾きと一致し、ｖ1＝−∂β1／∂κ1で表される。なお、図３において、＋Ｘ1軸方向の向きをｖ1の正方向とする。
【００８２】
図３に示すように、ＯＢＯ平面導波路素子１の入射側端面７に入射された光は、点ａに位置している状態では、κ＝０となる。この光の状態は、図９において点Ａに対応し、点ａに位置している光のｖ1は０となる。この光は、第１光導波路アレイを伝搬することで、Ｙ1軸方向に伝搬しながらＸ1軸方向においてＯＢＯを起こす。光は、＋Ｘ1軸方向にシフトしながら伝搬し、図３に示す点ａから出射側端面８の点ｂに向かう。第１光導波路５の長さは、ＯＢＯのほぼ１／２周期長であるため、点ｂに位置している光の状態は、図９において点Ｂに対応し、点ｂに位置している光のＯＢＯ位相は、ほぼπとなっている。
【００８３】
図１０は、第２光導波路アレイにおいて、Ｘ2軸方向における光の伝搬定数κ2と、Ｙ2軸方向における光の伝搬定数β2との関係を示すグラフである。ここで、Ｘ2軸方向における光の群速度ｖ2は、図１０に示すグラフの傾きと一致し、ｖ2＝−∂β2／∂κ2で表される。なお、図４において、＋Ｘ2軸方向の向きをｖ2の正方向とする。
【００８４】
第１光導波路５の出射側端面８から出射された光は、第２光導波路６の入射側端面９に入射する。第１光導波路５の出射側端面８から第２光導波路６の入射側端面９に光が伝搬した際に、ＯＢＯ位相が−π変化するように角θ2、および、第２光導波路６の入射側端面９の形成位置を決定して、第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイを連結している。その結果、第２光導波路アレイにおけるＯＢＯの初期位相は０となる。したがって、点ｃに位置している光の状態は、図１０に示す点Ｃに対応し、点ｃに位置している光のｖ2は０となる。
【００８５】
この光は、第２光導波路６アレイを伝搬することで、Ｙ2軸方向に伝搬しながらＸ2軸方向においてＯＢＯを起こす。光は、＋Ｘ2軸方向にシフトしながら伝搬し、図４に示す点ｃから出射側端面１０の点ｄに向かう。第２光導波路５の平均の長さは、ＯＢＯのほぼ１／２周期長であるため、点ｄに位置している光の状態は、図１０の点Ｄに対応し、点ｄに位置している光のＯＢＯ位相は、ほぼπとなっている。
【００８６】
本実施形態においては、λ1の波長を有する光と、λ1より小さい波長であるλ2の波長を有する光を含む波長多重光を第１光導波路５の入射側端面７に入射させた。たとえば、λ1は１５５０ｎｍ、λ2は１３００ｎｍである。λ1の波長を有する光およびλ2の波長を有する光は、ＯＢＯの位相が０からπへ変化するまで、第１光導波路５を伝搬する。
【００８７】
λ1の波長を有する光のＯＢＯ振幅がＡ1である場合、λ1の波長を有する光は、＋Ｘ1軸方向において、入射側端面７の位置からＡ1シフトした位置の出力側端面８から出射される。λ2の波長を有する光のＯＢＯ振幅がＡ2である場合、λ2の波長を有する光は、＋Ｘ1軸方向において、入射側端面７の位置からＡ2シフトした位置の出力側端面８から出射される。なお、ＯＢＯの特性より、Ａ1＞Ａ2である。
【００８８】
第１光導波路５の出射側端面８から出射したλ1の波長を有する光およびλ2の波長を有する光は、第２光導波路６の入射側端面９に入射するが、図４に示すように、光の波長によって入射する位置が異なる。λ2の波長を有する光の入射位置から＋Ｘ2軸方向に、(Ａ1−Ａ2)ｃｏｓ(｜θ2｜)シフトした位置に、λ1の波長を有する光が入射する。
【００８９】
上記のように、それぞれ異なる位置の入射側端面９に入射したλ1の波長を有する光およびλ2の波長を有する光は、ＯＢＯの位相がほぼ０からπへ変化するまで、第２光導波路６を伝搬する。
【００９０】
λ1の波長を有する光のＯＢＯ振幅がＢ1である場合、λ1の波長を有する光は、＋Ｘ2軸方向において、入射側端面９の位置からＢ1シフトした位置の出力側端面１０から出射される。λ2の波長を有する光のＯＢＯ振幅がＢ2である場合、λ2の波長を有する光は、＋Ｘ2軸方向において、入射側端面９の位置からＢ2シフトした位置の出力側端面１０から出射される。したがって、Ｘ2軸方向において、λ1の波長を有する光とλ2の波長を有する光との入射側端面９の位置が(Ａ1−Ａ2)ｃｏｓ(｜θ2｜)異なるため、図１に示すように、Ｘ2軸方向において、λ1の波長を有する光とλ2の波長を有する光との出射側端面１０の位置が(Ａ1−Ａ2)ｃｏｓ(｜θ2｜)＋(Ｂ1−Ｂ2)異なる。
【００９１】
本実施形態のように連結される光導波路アレイを複数設けることにより、ＯＢＯ平面導波路素子１における光の波長の違いによる道筋２０の相違が大きくなる。このため、ＯＢＯ平面導波路素子１の出力端面１２におけるクロストークが低減され、ＯＢＯ平面導波路素子１で分光された光はそれぞれ、単一波長の光として、出力端面１２の固有の出力側端面１０から出力される。
【００９２】
なお、θ2が、−２０°≦θ2≦２０°であることが好ましい。このように構成することにより、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【００９３】
また、それぞれの光導波路アレイおいて、光導波路の幅をＷ、光導波路同士の間のピッチをＰとすると、入射側端面において、Ｗ／Ｐ≧０．５５であることが好ましい。このように構成することにより、結合定数の大きい光導波路において光学的ブロッホ振動が発現されるようになる。数値計算によると光導波路の結合定数が高い領域においてＯＢＯ振幅は大きくなり、それに従って光の波長の違いによるＯＢＯ振幅の変化量も大きくなる。よって、平面導波路素子の出力端面１２におけるクロストークを低減することができる。
【００９４】
さらに、本実施形態においては、光導波路アレイが半導体材料から形成され、光導波路同士の間のピッチが２．０μｍ以下、および、光導波路の高さが０．０５μｍ以下であることが好ましい。このように構成することにより、光導波路の結合定数が高くなり、光の波長の違いによる道筋２０の相違を大きくすることができる。
【００９５】
入射側端面に位置する光のＯＢＯ位相と、その入射側端面に接続された出射側端面に位置する光のＯＢＯ位相との差が(２ｍ−１)×πとなるのであれば、それぞれの光導波路アレイ同士の連結部は、他の構造であってもよい。
【００９６】
最も光の出射側に形成された第２光導波路アレイにおいて、第２光導波路６の延在方向に延びる直線と第２光導波路６の出射側端面１０とのすべての交点が、最も光の入射側に形成された第１光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ1座標に位置しているようにしてもよい。この場合、出力端面１２は、入力端面１１に平行となり、入力端面１１および出力端面１２が、Ｓｉ基板２の結晶面と平行になるように形成することにより、Ｓｉ基板劈開により入力端面１１と出力端面１２が容易に作製される。
【００９７】
さらに、最も光の出射側に形成された第２光導波路６の出射側端面１０における光の光学的ブロッホ振動の位相をＹ、ｓを整数とすると、(２ｓ−５／４)π≦Ｙ≦(２ｓ−３／４)πであるようにすることが好ましい。このように構成することにより、ＯＢＯ平面導波路素子１の出力端面１２におけるクロストークを低減することができる。
【００９８】
なお、基板を取り除き、クラッド層を下地基板として、ＯＢＯ平面導波路素子を作製してもよい。また、光導波路として光が伝搬できるもので、クラッド層を構成する材料に比べて屈折率が高い材料であれば、ガイド層の材料としてはＳｉに限られず、たとえば、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰなどを用いてもよい。クラッド層の材料としては、ガイド層の材料に比べて屈折率が低い材料であればＳｉＯ2に限られず、たとえば、Ａｌ2Ｏ3、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓなどを用いてもよい。
【００９９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態２に係るＯＢＯ平面導波路素子を詳細に説明する。なお、実施形態２においては、実施形態１に係るＯＢＯ平面導波路素子の各部位と対応する部位のそれぞれには、実施形態１において説明したＯＢＯ平面導波路素子の参照符号の一桁目が同一である参照符号が付されている。したがって、一桁目の数字が同一である参照符号が付された対応する部位同士は、同一の構造及び機能を有するため、特に必要がない限り、それらの部位の説明は繰り返さない。
【０１００】
実施形態２
図１１は、本発明の実施形態２に係るＯＢＯ平面導波路素子を模式的に示す平面図である。図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図１１，１２に示すように、本発明の実施形態２に係るＯＢＯ平面導波路素子３１は、実施形態１に係るＯＢＯ平面導波路素子１と比較すると、光導波路の形状および光導波路アレイの連結部の構造が異なる。
【０１０１】
本実施形態においては、図１１に示すように、それぞれの光導波路アレイにおいて、光導波路の幅がほぼ一定である。また、図１２に示すように、光導波路アレイの伝搬損失を抑制するために、それぞれの光導波路アレイ全体を覆うようにしてＳｉＯ2からなる上部クラッド層５１が設けられている。なお、図１１においては、上部クラッド層５１の図示を省略している。
【０１０２】
本実施形態においては、基板であるＳｉ基板３２、下部クラッド層であるＳｉＯ2層３３、ガイド層であるＳｉ層３４、上部クラッド層であるＳｉＯ2層５１のＸ軸方向に温度勾配を形成するため、Ｓｉ基板３２の一方の側面にヒータ５２、および、他方の側面にヒートシンク５３が形成されている。ヒータ５２およびヒートシンク５３は、Ｓｉ基板３２から上部クラッド層であるＳｉＯ2層５１までの側面を覆うように形成されてもよい。ＯＢＯ平面導波路素子３１の出力端面４２は、ＯＢＯ平面導波路素子３１の入力端面４１と、ほぼ平行に形成されている。
【０１０３】
図１３は、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子における第１光導波路アレイを模式的に示す平面図である。図１４は、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子における第２光導波路アレイを模式的に示す平面図である。
【０１０４】
なお、座標軸は、それぞれの光導波路アレイにおいて、基板の上面において光導波路が延在する方向に直交する方向に、光導波路アレイにおける光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、光導波路が延在する方向に、入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸と、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれに垂直なＺ軸とからなる。第１光導波路の座標軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、Ｘ1軸、Ｙ1軸およびＺ1軸とからなる。第２光導波路の座標軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、Ｘ2軸、Ｙ2軸およびＺ2軸とからなる。参照した図中に示す、Ｘ1，Ｘ2，Ｙ1，Ｙ2，Ｚ1，Ｚ2のそれぞれの矢印は、それぞれの座標軸の方向を示している。
【０１０５】
図１３，１４に示すように、第１光導波路３５はほぼ平行に並ぶように直線状に延在している。第２光導波路３６はほぼ平行に並ぶように直線状に延在している。第１光導波路３５の幅は、第１光導波路アレイにおいて一定である。第２光導波路３６の幅は、第２光導波路アレイにおいて一定である。
【０１０６】
第１光導波路３５同士の間のピッチＰ1は１．９９μｍで一定となり、第１光導波路３５の幅は１．２μｍで一定である。第２光導波路３６同士の間のピッチＰ2は２μｍで一定であり、第２光導波路３６の幅は１．３μｍで一定である。
【０１０７】
第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイの連結部は、光が第１光導波路アレイから第２光導波路アレイに伝搬する際に、ｍを整数として、この光が起こす光学的ブロッホ振動の位相が(２ｍ−１)×π変化するように形成されている。具体的には、本実施形態のＯＢＯ平面導波路素子１においては、第１光導波路アレイにおけるＹ1軸と第２光導波路アレイにおけるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、および、第１光導波路３５の出射側端面３８の形成位置を決定して、第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイを連結している。
【０１０８】
上記のθ2は、第２光導波路６同士の間のピッチをＰ2、第２光導波路の等価屈折率をｎ、光の平均波長をλとすると、Ｐ1×ｔａｎθ2＝(２ｍ−１)×λ／(２×ｎ)・・・式(２)の関係を満たしている。式（２）において、Ｐ1が１．９９μｍ、λが１．４μｍ、ｎが３．４８、ｍが０のとき、θ2は−５．８°である。このとき、第１光導波路３５の出力側端面３８から第２光導波路３６の入射側端面３９に光が伝搬した際に、ＯＢＯ位相が−π変化する。
【０１０９】
図１３に示すように、第１光導波路アレイにおいては、第１光導波路３５の延在方向に延びる直線と第１光導波路３５の入射側端面３７とのすべての交点が、第１光導波路アレイの座標軸におけるＸ1軸上に位置している。
【０１１０】
図１５は、本実施形態における第１光導波路と第２光導波路との接続部を模式的に示す平面図である。図１５に示すように、第１光導波路アレイの一の第１光導波路３５の延在方向に延びる直線と第１光導波路３５の出射側端面３８との交点の第１光導波路アレイの座標軸におけるＹ1座標が、この一の第１光導波路３５の低屈折率側に隣接する他の第１光導波路３５の延在方向に延びる直線と第１光導波路３５の出射側端面３８との交点の第１光導波路アレイの座標軸におけるＹ1座標からＰ1×ｔａｎθ2変化した座標となる。
【０１１１】
なお、図１５においては、説明の便宜上、一の第１光導波路３５の延在方向に延びる直線と第１光導波路３５の出射側端面３８との交点のＹ1座標を０としたときに、その一の第１光導波路３５の＋Ｘ1方向側に隣接する他の第１光導波路３５の延在方向に延びる直線と第１光導波路３５の出射側端面３８との交点のＹ1座標がＰ1×ｔａｎθ2となることを示している。
【０１１２】
したがって、第１光導波路アレイにおいては、第１光導波路３５のＹ1軸方向の長さが、＋Ｘ1軸方向に向かって、Ｐ1×ｔａｎθ2ずつ変化する。本実施形態においては、第１光導波路アレイにおける第１光導波路３５のＹ1軸方向の長さは、＋Ｘ1軸方向に向かって０．２０２μｍずつ短くなる。
【０１１３】
また、第１光導波路アレイの第１光導波路３５の長さの平均値は、第１光導波路アレイを伝搬する光が、光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に、第１光導波路３５を伝搬する長さに略一致している。本実施形態においては、第１光導波路３５の平均長さは１０００μｍである。
【０１１４】
最も光の出射側に形成された第２光導波路アレイにおいては、第２光導波路３６の延在方向に延びる直線と第２光導波路３６の入射側端面３９とのすべての交点が、第２光導波路アレイの座標軸におけるＸ2軸上に位置し、また、第２光導波路３６の延在方向に延びる直線と第２光導波路３６の出射側端面４０とのすべての交点が、第１光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ1座標に位置している。よって、ＯＢＯ平面導波路素子３１の入力端面４１とほぼ平行になるように、出力端面４２が形成されている。
【０１１５】
また、第２光導波路アレイの第２光導波路３６の長さの平均値は、第２光導波路アレイを伝搬する光が、光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に、第２光導波路３６を伝搬する長さに略一致している。本実施形態においては、第２光導波路３６の平均長さは１０００μｍである。
【０１１６】
図１５に示すように、本実施形態においては、第２光導波路アレイにおける第２光導波路３６同士の間のピッチＰ2と、第１光導波路アレイにおける第１光導波路３５同士の間のピッチＰ1とは、Ｐ2＝Ｐ1／ｃｏｓ｜θ2｜の関係を満たす。
【０１１７】
このように構成することにより、第１光導波路アレイにおける第１光導波路３５の等価屈折率分布の形状と、第２光導波路アレイにおける第２光導波路３６の等価屈折率分布の形状とが似るため、第１光導波路３５から第２光導波路３６に光が伝搬する際に、光の強度分布が大きく変化することがなく、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイとの連結部における光の伝搬損失を低減することができる。
【０１１８】
以下、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子３１の製造方法について説明する。図１６は、本実施形態において、レジスト膜をパターニングした状態を模式的に示す断面図である。図１６に示すように、ＳＯＩ基板上に形成されたレジスト膜を電子線直接描画またはフォトリソグラフィによって加工することにより、光導波路アレイを形成するためのレジストパターン４８が作製される。
【０１１９】
図１７は、本実施形態において、ガイド層をエッチングして光導波路を形成している状態を模式的に示す断面図である。図１７に示すように、レジストパターン４８をマスクとして、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を用いて、Ｓｉ層３４がエッチングされる。Ｓｉ層３４の上部が０．０４μｍ程度の深さまでをエッチングされることにより、第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイが作製される。
【０１２０】
図１８は、本実施形態において、上部クラッド層を形成した状態を模式的に示す断面図である。図１８に示すように、レジストパターン４８を除去した後に、蒸着法、スパッタ法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって、第１光導波路アレイと第２光導波路アレイを覆うように、上部クラッド層となるＳｉＯ2層５１を堆積させる。
【０１２１】
本実施形態においては、ＳｉＯ2層５１の膜厚は２００ｎｍとしたが、この値に限定されず、それぞれの光導波路アレイにおける伝搬損失を抑制することが可能であれば他の値でもよい。
【０１２２】
図１９は、本実施形態において、ヒータおよびヒートシンクを形成した状態を模式的に示す断面図である。図１９に示すように、スパッタリング法または蒸着法を用いて、Ｓｉ基板３２、ＳｉＯ2層３３、Ｓｉ層３４、ＳｉＯ2層５１の＋Ｘ軸方向側の側面に、ヒータ５２となる窒化タンタル膜を形成する。また、スパッタリング法または蒸着法を用いて、Ｓｉ基板３２、ＳｉＯ2層３３、Ｓｉ層３４、ＳｉＯ2層５１の−Ｘ軸方向側の側面に、ヒートシンク５３となる窒化アルミ膜を形成する。その後、Ｓｉ基板３２の結晶面に沿って基板劈開を行なうことにより、ＯＢＯ平面導波路素子３１の入力端面４１と出力端面４２が形成される。
【０１２３】
次に、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子３１の動作について説明する。ヒータ５２によって、ＯＢＯ平面導波路素子３１において、Ｓｉ基板３２、ＳｉＯ2層３３、Ｓｉ層３４、ＳｉＯ2層５１のＸ軸方向の温度分布に勾配が形成される。Ｓｉ基板３２の温度は、ヒータ５２に近づくにつれて高くなる。一般に、半導体材料は高温になると屈折率が高くなるので、ヒータ５２側にある第１光導波路３５の屈折率は、ヒートシンク５３側に位置する第１光導波路３５の屈折率よりも高くなる。したがって、第１光導波路アレイにおける第１光導波路３５の等価屈折率の分布に勾配が形成される。
【０１２４】
そこに、図１３に示すように、光の強度分布４９のピークが所定の入射側端面３７に位置するように、波長多重光がＯＢＯ平面導波路素子３１中に入射される。入射した光は、ＯＢＯを起こして光の波長によって異なる道筋５０に進み、波長多重光は第１光導波路アレイにより分光される。
【０１２５】
第２光導波路アレイにおいても、第１光導波路アレイと同様に、第２光導波路３６の等価屈折率の分布に勾配が形成されている。そのため、図１４に示すように、第１光導波路アレイにおいて分光された複数の光は、第２光導波路アレイのそれぞれの入射側端面３９から第２光導波路３６に入射し、Ｙ2軸方向に伝搬しながらＸ2軸方向にＯＢＯを起こす。
【０１２６】
本実施形態においては、λ1の波長を有する光と、λ1より小さい波長であるλ2の波長を有する光を含む波長多重光を第１光導波路３５の入射側端面３７に入射させた。たとえば、λ1は１５５０ｎｍ、λ2は１３００ｎｍである。λ1の波長を有する光のＯＢＯ振幅がＣ1である場合、λ1の波長を有する光は、＋Ｘ1軸方向において、入射側端面３７の位置からＣ1シフトした位置の出力側端面３８から出射される。λ2の波長を有する光のＯＢＯ振幅がＣ2である場合、λ2の波長を有する光は、＋Ｘ1軸方向において、入射側端面３７の位置からＣ2シフトした位置の出力側端面３８から出射される。
【０１２７】
第１光導波路３５の出射側端面３８から出射したλ1の波長を有する光およびλ2の波長を有する光は、第２光導波路３６の入射側端面３９に入射するが、図１４に示すように、光の波長によって入射する位置が異なる。λ2の波長を有する光の入射位置から＋Ｘ2軸方向に、(Ｃ1−Ｃ2)／ｃｏｓ(｜θ2｜)シフトした位置に、λ1の波長を有する光が入射する。
【０１２８】
上記のように、それぞれ異なる位置の入射側端面３９に入射したλ1の波長を有する光およびλ2の波長を有する光は、ＯＢＯの位相がほぼ０からπへ変化するまで、第２光導波路３６を伝搬する。
【０１２９】
λ1の波長を有する光のＯＢＯ振幅がＤ1である場合、λ1の波長を有する光は、＋Ｘ2軸方向において、入射側端面３９の位置からＤ1シフトした位置の出力側端面４０から出射される。λ2の波長を有する光のＯＢＯ振幅がＤ2である場合、λ2の波長を有する光は、＋Ｘ2軸方向において、入射側端面３９の位置からＤ2シフトした位置の出力側端面４０から出射される。したがって、Ｘ2軸方向において、λ1の波長を有する光とλ2の波長を有する光との入射側端面９の位置が(Ｃ1−Ｃ2)／ｃｏｓ(｜θ2｜)異なるため、図１１に示すように、Ｘ2軸方向において、λ1の波長を有する光とλ2の波長を有する光との出射側端面４０の位置が(Ｃ1−Ｃ2)／ｃｏｓ(｜θ2｜)＋(Ｄ1−Ｄ2)異なる。
【０１３０】
本実施形態においては、ヒータの温度を調節することによって、それぞれの光導波路アレイの光導波路の等価屈折率分布の勾配の傾きを調整することができる。ＯＢＯの振幅が光導波路の等価屈折率分布の勾配の傾きによって変化するため、ヒータの温度調節により、ＯＢＯ平面導波路素子３１において分光される各波長の光の出力先を変更することできる。よって、ＯＢＯ平面導波路素子３１は可変分光器としての機能を有する。
【０１３１】
また、それぞれの光導波路アレイおいて、光導波路の幅をＷ、光導波路同士の間のピッチをＰとすると、入射側端面において、Ｗ／Ｐ≧０．５５であることが好ましい。このように構成することにより、結合定数の大きい光導波路において光学的ブロッホ振動が発現されるようになる。数値計算によると光導波路の結合定数が高い領域においてＯＢＯ振幅は大きくなり、それに従って光の波長の違いによるＯＢＯ振幅の変化量も大きくなる。
【０１３２】
本実施形態におけるＯＢＯ平面導波路素子３１によれば、第１光導波路３５の長さが、第１光導波路３５に入射する光の光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に伝搬する長さにほぼ等しいため、第１光導波路３５を伝搬し終えた際に最も分光された後、第２光導波路３６に入射する。光がこの第２光導波路３６に入射する際に、光の光学的ブロッホ振動の位相が半波長の奇数倍変化することにより、光は第２光導波路３６に入射した後、さらに分光される。第２光導波路３６の長さが、第２光導波路３６に入射する光の光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に伝搬する長さにほぼ等しいため、第２光導波路３６を伝搬し終えた際に最も分光される。よって、波長多重光をＯＢＯ平面導波路素子３１に入射させることにより、出力側におけるクロストークを低減し、固有の出力側端面からそれぞれ単一波長の光を出力することができる。他の構成については、実施形態１のＯＢＯ平面導波路素子１と同様であるため、説明を繰り返さない。
【０１３３】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態３に係るＯＢＯ平面導波路素子を詳細に説明する。なお、実施形態３においては、実施形態１に係るＯＢＯ平面導波路素子の各部位と対応する部位のそれぞれには、実施形態１において説明したＯＢＯ平面導波路素子の参照符号の一桁目が同一である参照符号が付されている。したがって、一桁目の数字が同一である参照符号が付された対応する部位同士は、同一の構造及び機能を有するため、特に必要がない限り、それらの部位の説明は繰り返さない。
【０１３４】
実施形態３
図２０は、本発明の実施形態３に係るＯＢＯ平面導波路素子を模式的に示す平面図である。図２１は、図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ線矢印方向から見た断面図である。図２０，２１に示すように、本発明の実施形態３に係るＯＢＯ平面導波路素子６１は、実施形態１に係るＯＢＯ平面導波路素子１と比較すると、それぞれの光導波路アレイ全体を覆うようにしてＳｉＯ2からなる上部クラッド層８１が設けられている。なお、図２１においては、上部クラッド層８１の図示を省略している。
【０１３５】
また、基板であるＳｉ基板６２、下部クラッド層であるＳｉＯ2層６３、ガイド層であるＳｉ層６４、上部クラッド層であるＳｉＯ2層８１のＸ軸方向に温度勾配を形成するため、Ｓｉ基板６２の一方の側面にヒータ８２、および、他方の側面にヒートシンク８３が形成されている。
【０１３６】
さらに、ＯＢＯ平面導波路素子６１の出力端面７２が、入力端面７１とほぼ平行に形成されている。実施形態２のＯＢＯ平面導波路素子３１と同様に本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子６１は可変分光器としての機能を有する。
【０１３７】
また、ヒータ８２を動作させない場合においても、第１光導波路６５および第２光導波路６６の幅が、＋Ｘ軸方向に向かうに従って徐々に広くなるように形成されているため、第１光導波路アレイおよび第２光導波路アレイの光導波路の等価屈折率分布に勾配が形成される。よって、ヒータ８２を動作させない場合においても、ＯＢＯ平面導波路素子６１を伝搬する光がＯＢＯを起こし、波長多重光はＯＢＯ平面導波路素子６１内で分光される。このように、本実施形態に係るＯＢＯ平面導波路素子６１は、ヒータ８２を備えることにより可変分光器としての機能を有するとともに、ヒータ８２を動作させない状態においても光を分光することができるため、消費電力の低減を図ることができる。他の構成については、実施形態１または実施形態２のＯＢＯ平面導波路素子１，３１と同様であるため、説明を繰り返さない。
【０１３８】
なお、今回開示した上記実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、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。
【符号の説明】
【０１３９】
１，３１，６１，１００ 平面導波路素子、２，３２，６２，１０１ 基板、３，３３，６３ クラッド層、４，３４，６４ ガイド層、５，３５，６５ 第１光導波路、６，３６，６６ 第２光導波路、７，９，３７，３９ 入射側端面、８，１０，３８，４０ 出力側端面、１１，４１，７１ 入力端面、１２，４２，７２ 出力端面、１３ 中心線、１４ 中心線、１５ 交点、１６ 界面、１７ レジスト膜、１８，４８ レジストパターン、１９，４９ 光の強度分布、２０，５０，１０８ 光の道筋、５１，８１ 上部クラッド層、５２，８２，１０６ ヒータ、５３，８３，１０７ ヒートシンク、１０２ 光導波路、１０３ 高分子クラッド層、１０４ 入力側端面、１０５ 出力側端面。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に積層されたクラッド層と、
前記クラッド層上に積層され、前記クラッド層より高い屈折率を有するガイド層と
を備え、
前記ガイド層の上部には、略平行に並ぶように直線状に延在する複数の光導波路を含む光導波路アレイが、光の伝搬方向に連続して複数形成され、
それぞれの前記光導波路アレイは、光が入射する入射側端面を有する前記光導波路を少なくとも１つ含み、
それぞれの前記光導波路アレイは、光が出射する出射側端面を有する前記光導波路を少なくとも２つ含み、
それぞれの前記光導波路アレイにおける前記光導波路においては、前記光導波路の並ぶ方向において一方向に向かって、等価屈折率分布に勾配が形成され、
互いに隣接して形成された前記光導波路アレイにおいては、それぞれが含む前記入射側端面を有する前記光導波路と前記出射側端面を有する前記光導波路とが互いに所定の角度を有して連結され、光の入射側に形成された第１光導波路アレイの第１光導波路の前記出射側端面と、光の出射側に形成された第２光導波路アレイの第２光導波路の前記入射側端面とが接続され、
前記第１光導波路アレイおよび前記第２光導波路アレイの連結部は、光が前記第１光導波路アレイから前記第２光導波路アレイに伝搬する際に、ｍを整数として、該光が起こす光学的ブロッホ振動の位相が(２ｍ−１)×π変化するように形成され、
それぞれの前記光導波路アレイの前記光導波路の長さの平均値は、それぞれの前記光導波路アレイを伝搬する前記光が、光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に、前記光導波路を伝搬する長さに略一致する、平面導波路素子。
【請求項２】
それぞれの前記光導波路アレイにおいて、前記基板の上面において前記光導波路が延在する方向に直交する方向に、前記光導波路アレイにおける前記光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、前記光導波路が延在する方向に、前記入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸とからなる座標軸をおいた場合に、前記第１光導波路アレイにおける前記Ｙ軸であるＹ1軸と前記第２光導波路アレイにおける前記Ｙ軸であるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、前記第２光導波路同士の間のピッチをＰ2、前記第２光導波路の等価屈折率をｎ、前記光の平均波長をλとすると、Ｐ2×ｔａｎθ2＝(２ｍ−１)×λ／(２×ｎ)の関係を満たし、
最も前記入射側に形成された前記第１光導波路アレイにおいては、前記第１光導波路の延在方向に延びる直線と前記第１光導波路の前記入射側端面とのすべての交点が、前記第１光導波路アレイの座標軸における前記Ｘ軸であるＸ1軸上に位置し、また、前記第１光導波路の延在方向に延びる直線と前記第１光導波路の前記出射側端面とのすべての交点が、前記第１光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ1座標に位置し、
前記第２光導波路アレイにおいては、一の前記第２光導波路の延在方向に延びる直線と前記第１光導波路の前記出射側端面との交点の前記第２光導波路アレイの座標軸におけるＹ2座標が、該一の第２光導波路の低屈折率側に隣接する他の前記第２光導波路の延在方向に延びる直線と前記第１光導波路の前記出射側端面との交点の前記第２光導波路アレイの座標軸におけるＹ座標から−Ｐ2×ｔａｎθ2変化した座標となり、また、前記第２光導波路の延在方向に延びる直線と前記第２光導波路の前記出射側端面とのすべての交点が、前記第２光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ2座標に位置している、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項３】
それぞれの前記光導波路アレイにおいて、前記基板の上面において前記光導波路が延在する方向に直交する方向に、前記光導波路アレイにおける前記光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、前記光導波路が延在する方向に、前記入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸とからなる座標軸をおいた場合に、前記第１光導波路アレイにおける前記Ｙ軸であるＹ1軸と前記第２光導波路アレイにおける前記Ｙ軸であるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、前記第１光導波路同士の間のピッチをＰ1、前記第２光導波路同士の間のピッチをＰ2とすると、Ｐ2＝Ｐ1×ｃｏｓ｜θ2｜の関係を満たす、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項４】
それぞれの前記光導波路アレイにおいて、前記基板の上面において前記光導波路が延在する方向に直交する方向に、前記光導波路アレイにおける前記光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、前記光導波路が延在する方向に、前記入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸とからなる座標軸をおいた場合に、前記第１光導波路アレイにおける前記Ｙ軸であるＹ1軸と前記第２光導波路アレイにおける前記Ｙ軸であるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、前記第１光導波路同士の間のピッチをＰ1、前記第２光導波路の等価屈折率をｎ、前記光の平均波長をλとすると、Ｐ1×ｔａｎθ2＝(２ｍ−１)×λ／(２×ｎ)の関係を満たし、
前記第１光導波路アレイにおいては、前記第１光導波路の延在方向に延びる直線と前記第１光導波路の前記入射側端面とのすべての交点が、前記第１光導波路アレイの座標軸における前記Ｘ軸であるＸ1軸上に位置し、また、前記第１光導波路アレイの一の前記第１光導波路の延在方向に延びる直線と前記第１光導波路の前記出射側端面との交点の前記第１光導波路アレイの座標軸におけるＹ1座標が、該一の第１光導波路の低屈折率側に隣接する他の前記第１光導波路の延在方向に延びる直線と前記第１光導波路の前記出射側端面との交点の前記第１光導波路アレイの座標軸におけるＹ1座標からＰ1×ｔａｎθ2変化した座標となり、
前記第２光導波路アレイにおいては、前記第２光導波路の延在方向に延びる直線と前記第２光導波路の前記入射側端面とのすべての交点が、前記第２光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ2座標に位置している、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項５】
それぞれの前記光導波路アレイにおいて、前記基板の上面において前記光導波路が延在する方向に直交する方向に、前記光導波路アレイにおける前記光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、前記光導波路が延在する方向に、前記入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸とからなる座標軸をおいた場合に、前記第１光導波路アレイにおける前記Ｙ軸であるＹ1軸と前記第２光導波路アレイにおける前記Ｙ軸であるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、前記第１光導波路同士の間のピッチをＰ1、前記第２光導波路同士の間のピッチをＰ2とすると、前記第２光導波路は、Ｐ2＝Ｐ1／ｃｏｓ｜θ2｜の関係を満たす、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項６】
それぞれの前記光導波路アレイにおいて、前記光導波路が並ぶ方向において一方向に向かって、前記光導波路の幅が広くなる、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項７】
それぞれの前記光導波路アレイおいて、前記光導波路の幅をＷ、前記光導波路同士の間のピッチをＰとすると、前記入射側端面において、Ｗ／Ｐ≧０．５５である、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項８】
前記光導波路が並ぶ方向における前記基板の一方の側面にヒータ、および、他方の側面にヒートシンクが形成されている、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項９】
それぞれの前記光導波路アレイおいて、前記光導波路の幅をＷ、前記光導波路同士の間のピッチをＰとすると、前記幅および前記ピッチのそれぞれが、Ｗ／Ｐ≧０．５５を満たしほぼ一定の値となる、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項１０】
最も前記出射側に形成された前記第２光導波路アレイにおいて、前記第２光導波路の延在方向に延びる直線と前記第２光導波路の前記出射側端面とのすべての交点が、最も前記入射側に形成された前記第１光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ1座標に位置している、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項１１】
最も前記出射側に形成された前記第２光導波路の前記出射側端面における前記光の光学的ブロッホ振動の位相をＹ、ｓを整数とすると、(２ｓ−５／４)π≦Ｙ≦(２ｓ−３／４)πである、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項１２】
前記θ2が、−２０°≦θ2≦２０°である、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項１３】
前記第１光導波路の仮想の中心線と、該第１光導波路に対応する前記第２光導波路の仮想の中心線との交点が、前記第１光導波路アレイと前記第２光導波路アレイとの界面上に位置する、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項１４】
前記第１光導波路の前記出射側端面における前記第１光導波路の幅をＬ1、該第１光導波路に接続される前記第２光導波路の前記入射側端面における前記第２光導波路の幅をＬ2とすると、Ｌ1≦Ｌ2である、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項１５】
前記光導波路アレイが半導体材料から形成され、前記光導波路同士の間のピッチが２．０μｍ以下、および、前記光導波路の高さが０．０５μｍ以下である、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に積層されたクラッド層と、
前記クラッド層上に積層され、前記クラッド層より高い屈折率を有するガイド層と
を備え、
前記ガイド層の上部には、略平行に並ぶように直線状に延在する複数の光導波路を含む光導波路アレイが、光の伝搬方向に連続して複数形成され、
それぞれの前記光導波路アレイは、光が入射する入射側端面を有する前記光導波路を少なくとも１つ含み、
それぞれの前記光導波路アレイは、光が出射する出射側端面を有する前記光導波路を少なくとも２つ含み、
それぞれの前記光導波路アレイにおける前記光導波路においては、前記光導波路の並ぶ方向において一方向に向かって、等価屈折率分布に勾配が形成され、
互いに隣接して形成された前記光導波路アレイにおいては、それぞれが含む前記入射側端面を有する前記光導波路と前記出射側端面を有する前記光導波路とが互いに所定の角度を有して連結され、光の入射側に形成された第１光導波路アレイの第１光導波路の前記出射側端面と、光の出射側に形成された第２光導波路アレイの第２光導波路の前記入射側端面とが接続され、
前記第１光導波路アレイおよび前記第２光導波路アレイの連結部は、光が前記第１光導波路アレイから前記第２光導波路アレイに伝搬する際に、ｍを整数として、該光が起こす光学的ブロッホ振動の位相が(２ｍ−１)×π変化するように形成され、
それぞれの前記光導波路アレイの前記光導波路の長さの平均値は、それぞれの前記光導波路アレイを伝搬する前記光が、光学的ブロッホ振動において１／２周期の振動する間に、前記光導波路を伝搬する長さに略一致する、平面導波路素子。
【請求項２】
それぞれの前記光導波路アレイにおいて、前記基板の上面において前記光導波路が延在する方向に直交する方向に、前記光導波路アレイにおける前記光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、前記光導波路が延在する方向に、前記入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸とからなる座標軸をおいた場合に、前記第１光導波路アレイにおける前記Ｙ軸であるＹ1軸と前記第２光導波路アレイにおける前記Ｙ軸であるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、前記第２光導波路同士の間のピッチをＰ2、前記第２光導波路の等価屈折率をｎ、前記光の平均波長をλとすると、Ｐ2×ｔａｎθ2＝(２ｍ−１)×λ／(２×ｎ)の関係を満たし、
最も前記入射側に形成された前記第１光導波路アレイにおいては、前記第１光導波路の延在方向に延びる直線と前記第１光導波路の前記入射側端面とのすべての交点が、前記第１光導波路アレイの座標軸における前記Ｘ軸であるＸ1軸上に位置し、また、前記第１光導波路の延在方向に延びる直線と前記第１光導波路の前記出射側端面とのすべての交点が、前記第１光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ1座標に位置し、
前記第２光導波路アレイにおいては、一の前記第２光導波路の延在方向に延びる直線と前記第１光導波路の前記出射側端面との交点の前記第２光導波路アレイの座標軸におけるＹ2座標が、該一の第２光導波路の低屈折率側に隣接する他の前記第２光導波路の延在方向に延びる直線と前記第１光導波路の前記出射側端面との交点の前記第２光導波路アレイの座標軸におけるＹ座標から−Ｐ2×ｔａｎθ2変化した座標となり、また、前記第２光導波路の延在方向に延びる直線と前記第２光導波路の前記出射側端面とのすべての交点が、前記第２光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ2座標に位置している、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項３】
それぞれの前記光導波路アレイにおいて、前記基板の上面において前記光導波路が延在する方向に直交する方向に、前記光導波路アレイにおける前記光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、前記光導波路が延在する方向に、前記入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸とからなる座標軸をおいた場合に、前記第１光導波路アレイにおける前記Ｙ軸であるＹ1軸と前記第２光導波路アレイにおける前記Ｙ軸であるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、前記第１光導波路同士の間のピッチをＰ1、前記第２光導波路同士の間のピッチをＰ2とすると、Ｐ2＝Ｐ1×ｃｏｓ｜θ2｜の関係を満たす、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項４】
それぞれの前記光導波路アレイにおいて、前記基板の上面において前記光導波路が延在する方向に直交する方向に、前記光導波路アレイにおける前記光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、前記光導波路が延在する方向に、前記入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸とからなる座標軸をおいた場合に、前記第１光導波路アレイにおける前記Ｙ軸であるＹ1軸と前記第２光導波路アレイにおける前記Ｙ軸であるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、前記第１光導波路同士の間のピッチをＰ1、前記第２光導波路の等価屈折率をｎ、前記光の平均波長をλとすると、Ｐ1×ｔａｎθ2＝(２ｍ−１)×λ／(２×ｎ)の関係を満たし、
前記第１光導波路アレイにおいては、前記第１光導波路の延在方向に延びる直線と前記第１光導波路の前記入射側端面とのすべての交点が、前記第１光導波路アレイの座標軸における前記Ｘ軸であるＸ1軸上に位置し、また、前記第１光導波路アレイの一の前記第１光導波路の延在方向に延びる直線と前記第１光導波路の前記出射側端面との交点の前記第１光導波路アレイの座標軸におけるＹ1座標が、該一の第１光導波路の低屈折率側に隣接する他の前記第１光導波路の延在方向に延びる直線と前記第１光導波路の前記出射側端面との交点の前記第１光導波路アレイの座標軸におけるＹ1座標からＰ1×ｔａｎθ2変化した座標となり、
前記第２光導波路アレイにおいては、前記第２光導波路の延在方向に延びる直線と前記第２光導波路の前記入射側端面とのすべての交点が、前記第２光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ2座標に位置している、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項５】
それぞれの前記光導波路アレイにおいて、前記基板の上面において前記光導波路が延在する方向に直交する方向に、前記光導波路アレイにおける前記光導波路の等価屈折率分布の低屈折率側から高屈折率側への向きを正とするＸ軸と、前記光導波路が延在する方向に、前記入射側端面から離れる向きを正とするＹ軸とからなる座標軸をおいた場合に、前記第１光導波路アレイにおける前記Ｙ軸であるＹ1軸と前記第２光導波路アレイにおける前記Ｙ軸であるＹ2軸との成す角でＹ2軸のＹ1軸に対して左回りを正とするθ2、前記第１光導波路同士の間のピッチをＰ1、前記第２光導波路同士の間のピッチをＰ2とすると、前記第２光導波路は、Ｐ2＝Ｐ1／ｃｏｓ｜θ2｜の関係を満たす、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項６】
それぞれの前記光導波路アレイにおいて、前記光導波路が並ぶ方向において一方向に向かって、前記光導波路の幅が広くなる、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項７】
それぞれの前記光導波路アレイおいて、前記光導波路の幅をＷ、前記光導波路同士の間のピッチをＰとすると、前記入射側端面において、Ｗ／Ｐ≧０．５５である、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項８】
前記光導波路が並ぶ方向における前記基板の一方の側面にヒータ、および、他方の側面にヒートシンクが形成されている、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項９】
それぞれの前記光導波路アレイおいて、前記光導波路の幅をＷ、前記光導波路同士の間のピッチをＰとすると、前記幅および前記ピッチのそれぞれが、Ｗ／Ｐ≧０．５５を満たしほぼ一定の値となる、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項１０】
最も前記出射側に形成された前記第２光導波路アレイにおいて、前記第２光導波路の延在方向に延びる直線と前記第２光導波路の前記出射側端面とのすべての交点が、最も前記入射側に形成された前記第１光導波路アレイの座標軸における座標において同一のＹ1座標に位置している、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項１１】
最も前記出射側に形成された前記第２光導波路の前記出射側端面における前記光の光学的ブロッホ振動の位相をＹ、ｓを整数とすると、(２ｓ−５／４)π≦Ｙ≦(２ｓ−３／４)πである、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項１２】
前記θ2が、−２０°≦θ2≦２０°である、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項１３】
前記第１光導波路の仮想の中心線と、該第１光導波路に対応する前記第２光導波路の仮想の中心線との交点が、前記第１光導波路アレイと前記第２光導波路アレイとの界面上に位置する、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項１４】
前記第１光導波路の前記出射側端面における前記第１光導波路の幅をＬ1、該第１光導波路に接続される前記第２光導波路の前記入射側端面における前記第２光導波路の幅をＬ2とすると、Ｌ1≦Ｌ2である、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項１５】
前記光導波路アレイが半導体材料から形成され、前記光導波路同士の間のピッチが２．０μｍ以下、および、前記光導波路の高さが０．０５μｍ以下である、請求項１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】
【公開番号】特開２０１１−１０００５４（Ｐ２０１１−１０００５４Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５６００３（Ｐ２００９−２５６００３）
【出願日】平成２１年１１月９日（２００９．１１．９）
【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２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月９日（２００９．１１．９）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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