波長選択性多モード干渉導波路デバイス
【課題】波長選択機能を有する多モード干渉導波路デバイスを得る。
【解決手段】波長選択性多モード干渉導波路デバイス（１０）は、多モード干渉導波路部（３）と、多モード干渉導波路部（３）の一端の中心に接続される第１の導波路（１）と、多モード干渉導波路部（３）の一端に対向する他端の中心に接続される第２の導波路（２）とを備え、第１の導波路（１）から入射し多モード干渉導波路部（３）を伝搬して第２の導波路（２）に出射する光波であって、所定の波長を有する光波の透過率が、多モード干渉導波路部（３）と第２の導波路（２）との接続部において当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、多モード干渉導波路部（３）の幅及び長さが決定されている。
【解決手段】波長選択性多モード干渉導波路デバイス（１０）は、多モード干渉導波路部（３）と、多モード干渉導波路部（３）の一端の中心に接続される第１の導波路（１）と、多モード干渉導波路部（３）の一端に対向する他端の中心に接続される第２の導波路（２）とを備え、第１の導波路（１）から入射し多モード干渉導波路部（３）を伝搬して第２の導波路（２）に出射する光波であって、所定の波長を有する光波の透過率が、多モード干渉導波路部（３）と第２の導波路（２）との接続部において当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、多モード干渉導波路部（３）の幅及び長さが決定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定の波長の伝搬を阻止する帯域阻止フィルタとして機能し得る、波長選択性多モード干渉導波路デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、複数の波長を用いて、波長ごとに独立した信号を伝送する波長多重通信システムでは、特定の波長成分を選択的に分離することは、必須の要素技術として位置づけられる。波長成分を選択的に分離する代表的な素子として、従来、次の素子が知られている。
ａ．干渉膜フィルタ
ｂ．回折格子
ｃ．マッハツェンダ干渉計形フィルタ
ｄ．分布反射形（ＤＦＢ）導波路フィルタ
ｅ．導波路アレイ回折格子（ＡＷＧ）
【０００３】
上記ａ及びｂは、いわゆるバルク形光学素子（非導波路形）であり、空間を伝搬する空間ビーム光で光入出力を行い、波長に応じて出力方向が変わることで波長成分を選択するものである。一方、ｃ〜ｅは導波路形光学素子で、光導波路を伝搬する光に対して波長によって出力ポートが選択されて、波長成分が分離されるものである。
【０００４】
ここで、ｂ及びｅでは、波長成分ごとに異なる方向あるいは異なる出力ポートに出力されるため、特定の波長成分を光路から伝搬阻止するという本発明の目的とは異なる使い方になる。また、ｃは波長成分ごとに異なる二つのポートに出力を分離する素子であるが、分離特性は波長に対して周期的に現れるため、狭い波長範囲の光波の伝搬を阻止するという目的には不適当である。したがって、特定の波長成分を光路から伝搬阻止する目的に合致する従来技術としては、ａ及びｄが相当する。
【０００５】
ａは、支持体となる透明板の表面に、異なる屈折率をもつ２種類の薄膜をある定められた周期で交互に積層することで、透過及び反射の波長特性に所望の特性を与える。薄膜の積層の仕方によって、様々な波長特性を実現することができる。（例えば、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｉｔｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｏｐｔｉｃａｌ＿ｃｏａｔｉｎｇ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｇｋｋ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｐｄｆ／０１−１３−ｆｉｌｔｅｒｓ／０１１３−４６４７．ｐｄｆ参照。）
【０００６】
この中で、「帯域阻止」特性をもつフィルタは、ノッチフィルタとも呼ばれる。このデバイスを導波路で構成される光集積回路中に用いるためには、導波路を横断する溝を形成し、その溝にフィルタチップを挿入する必要があり、通常の導波路デバイス製造工程とは異なる工程が必要となる。特に、多くのフィルタチップを挿入する場合には、この製造工程の複雑化の問題が顕在化する。
【０００７】
一方、本発明と同様に導波路形デバイスに位置付けられるｄは、導波路中、あるいは導波路の表面もしくは側面に、光波の伝搬方向に沿って周期的な屈折率変化（回折格子）を形成することで実現される。すなわち、導波路を伝搬してきた光波が周期的屈折率変化部分に入射すると、屈折率変化の周期と導波路の実効屈折率で決まる特定の波長の光波成分のみが入射導波路側に反射されるため、導波路の透過出力側にはこの波長成分が出力されない（＝分布反射器）。すなわち、特定の波長成分の伝搬を阻止する帯域阻止フィルタとして機能する。
【０００８】
このｄにおいては、所望の阻止波長幅と阻止レベルを実現するためには、導波路の形状、導波路に形成する屈折率変化の大きさなどを正確に制御する必要がある。また、導波路と屈折率変化を形成するためには、一般に複数回のパターン形成やエッチング工程などが必要となり、製造工程の複雑化という問題が発生する。
【０００９】
なお、分布反射器の帯域阻止フィルタとしての機能を記述した代表的な文献として、以下の非特許文献１があり、また、導波路形デバイスの代表例である多モード干渉結合器（ＭＭＩカプラ）の文献として、非特許文献２が挙げられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｋ． Ｗａｇａｔｓｕｍａ， Ｈ． Ｓａｋａｋｉ， ａｎｄ Ｓ． Ｓａｉｔｏ， “Ｍｏｄｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｏｆ ｏｂｌｉｑｕｅｌｙ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｗａｖｅｓ ｉｎ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｆｉｌｔｅｒｓ，” ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ｖｏｌ． ＱＥ−１５， ｎｏ． ７， ｐｐ．６３２−６３７， １９７９．
【非特許文献２】Ｌ． Ｂ． Ｓｏｌｄａｎｏ ａｎｄ Ｅ． Ｃ． Ｍ． Ｐｅｎｎｉｎｇｓ， “Ｏｐｔｉｃａｌ ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｅｌｆ−ｉｍａｇｉｎｇ： ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，” Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｖｏｌ． １３， ｐｐ． ６１５−６２７， ｎｏ． ４， １９９５．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明は、特定の波長の伝搬を阻止する帯域阻止フィルタとしての機能を備えかつ製造が容易な、波長選択性多モード干渉導波路デバイスを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様では、多モード干渉導波路部と、前記多モード干渉導波路部の一端の中心に接続される第１の導波路と、前記多モード干渉導波路部の前記一端に対向する他端の中心に接続される第２の導波路と、を備える、多モード干渉導波路導波路デバイスにおいて、前記第１の導波路から入射し前記多モード干渉導波路部を伝搬して前記第２の導波路に出射する光波であって、所定の波長を有する光波の透過率が、前記多モード干渉導波路部と前記第２の導波路との接続部において当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、前記多モード干渉導波路部の幅及び長さが決定されていることを特徴とする、波長選択性多モード干渉導波路デバイスを提供する。
【００１３】
上記第１の態様において、上記要求仕様を少なくとも１０ｄＢとしても良い。また、第１の導波路から入射する前記光波の透過率を−１０ｄＢ以下とすることによって、当該デバイスを、前記波長における帯域阻止フィルタとして機能させるようにしても良い。
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の第２の態様では、多モード干渉導波路部と、前記多モード干渉導波路部の一端の中心に接続される第１の導波路と、前記多モード干渉導波路部の前記一端に対向する他端の中心から一定の距離に、互いに対称となるように配置された第２及び第３の導波路と、を備える、多モード干渉導波路導波路デバイスにおいて、前記第１の導波路から入射し前記多モード干渉導波路部を伝搬して前記第２の導波路と第３の導波路に出射する光波であって、所定の波長を有する前記光波の透過率が、前記多モード干渉導波路部と前記第２及び第３の導波路との接続部において当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、前記多モード干渉導波路部の幅及び長さ、さらに前記一定の距離が決定されていることを特徴とする、波長選択性多モード干渉導波路デバイスを提供する。
【００１５】
上記態様において、前記要求仕様は、少なくとも１０ｄＢ以上としても良い。また、前記第１の導波路から入射する前記光波の透過率を−１０ｄＢ以下とすることによって、当該デバイスを、前記波長における帯域阻止フィルタとして機能させるようにしても良い。
【発明の効果】
【００１６】
多モード干渉導波路を伝搬する光波では、入射光の波長に依存して多モード干渉が現れる周期が変化する。即ち、入射光の波長によって、多モード干渉の周期が異なる。この周期の違いを利用し、多モード干渉導波路を、その出射端で特定の波長を有する光波の透過率（出力光パワー／入射光パワー）が、例えば−１０ｄＢ以下となるような構造とすることによって、入射光から特定の波長成分のみを阻止するデバイスを作成することが出来る。
【００１７】
複数の波長を用いて、波長ごとに独立した信号を伝送する波長多重通信システムでは、特定の波長を選択的に分離することは、必要な要素技術と位置づけられている。その中で、本発明に係る、特定の波長の伝搬を阻止するデバイスは、不要波長成分を阻止する波長フィルタとして用いることができる。例えば、伝送システムの動作を監視するために、監視用の光として信号光とは異なる波長の光を用いるが、信号光に混じって監視用の光を受信すると困るので、受信端では監視用の波長成分を阻止する必要がある。本発明に係る波長選択性デバイスは、このような用途に対して有用である。
【００１８】
なお、本発明の多モード干渉導波路デバイスは、導波路を形成する工程で帯域阻止機能を実現する多モード干渉導波路も同時に形成されるため、背景技術の項で説明した、ｄの分布反射形（ＤＦＢ）導波路フィルタで発生する、製造工程の複雑化という問題は発生しない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る、１入力１出力導波路形デバイスの概略構成を示す斜視図。
【図２】図１に示すデバイスの上面図。
【図３】図１及び２に示すデバイスの、多モード干渉導波路部における光波伝搬に伴って生じる光パワー分布を示す図。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るデバイスの構成原理を説明するための図。
【図５】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るデバイスにおいて、多モード干渉導波路部の幅を１．０μｍとした場合の、多モード干渉導波路部の長さに対する透過率の関係を示し、（ｂ）は、幅を１．６μｍとした場合の、多モード干渉導波路部の長さに対する透過率の関係を示す図。
【図６】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るデバイスにおいて、多モード干渉導波路部の幅を１．０μｍとしその長さを変化させた場合の、波長に対する透過率の関係を示し、（ｂ）は、多モード干渉導波路部の幅を１．６μｍとしその長さを変化させた場合の、波長に対する透過率の関係を示す図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る、１入力２出力デバイスの概略構造を示す斜視図。
【図８】図７に示すデバイスの上面図。
【図９】図７及び８に示すデバイスの、多モード干渉導波路部における光波伝搬にともなって生じる光パワー分布を示す図。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係るデバイスの構成原理を説明するための図。
【図１１】（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係るデバイスにおいて、多モード干渉導波路部の幅を１．０μｍとした場合の、多モード干渉導波路部の長さに対する透過率の関係を示し、（ｂ）は、幅を１．６μｍとした場合の、多モード干渉導波路部の長さに対する透過率の関係を示す図。
【図１２】（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係るデバイスにおいて、多モード干渉導波路部の幅を１．０μｍとしその長さを変化させた場合の、波長に対する透過率の関係を示し、（ｂ）は、多モード干渉導波路部の幅を１．６μｍとしその長さを変化させた場合の、波長に対する透過率の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明の種々の実施形態を、図面を参照して説明するが、これらの実施形態は単に一例であって本発明を限定するものでは無い。また、全図面を通して、同じ符号は同一又は類似の構成要素を示すので、重複した説明は行わない。更に、各図は本発明の実施形態の説明のみを目的としており、従って各部分の図面上の大きさが実際の縮尺に対応するものではない。
【００２１】
＜第１の実施形態：１入力１出力導波路デバイス＞
以下に、本発明の第１の実施形態に係る、１入力１出力導波路形の波長選択性多モード干渉導波路デバイスについて説明する。このデバイスは、特定の波長の入射光を、当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たす程度、例えば、入射光のパワー（強度）と出射光のパワー（強度）の比（出射光パワー／入射光パワー）を−１０ｄＢ程度まで低下させることが可能な、波長帯域阻止特性を有する。
【００２２】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る多モード干渉デバイス１０の概略構造を示す斜視図である。このデバイス１０は、１入力導波路１出力導波路形のデバイスであり、後述するように、特定の波長の光の通過を阻止する、波長選択性デバイスである。波長選択性多モード干渉導波路デバイス１０は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハのシリコン層に形成される多モード干渉導波路部３とシングルモードの入力導波路１、出力導波路２とで構成されている。４はシリコン基板、５はＳｉＯ2クラッド層を示す。図示はしていないが、多モード干渉導波路デバイス１０を構成する多モード干渉導波路部３と入力導波路１、出力導波路２はＳｉＯ2のクラッド層５によって埋設されている。
【００２３】
図２に、デバイス１０の構造を定義するためのパラメータを示す。多モード干渉導波路部３の幅方向の端部に沿ってｘ軸を設定し、長さ方向にｚ軸を設定している。これによって、入力導波路１、出力導波路２は、ｘ方向に対称な位置（ｘ＝０）に配置される。入出力導波路１、２の断面の幅をＷで示し、多モード干渉導波路部３の幅をＷMMI、長さをＬMMI、厚さをＷT（図１参照）で示す。入出力導波路１、２及び多モード干渉導波路部３の厚さＷTは、通常、同じとされている。
【００２４】
本発明者等は既に、多モード干渉導波路部３におけるこのような光強度分布の周期、即ち、多モード干渉の周期が、多モード干渉導波路部３の幾何学的構造（幅、長さ、厚さ）、材料、更に入射する光の偏波に基づいて変化することを報告している（特願２０１１−１３００９３）が、その中で、多モード干渉の周期がさらに波長に基づいて変化することにも言及している。本実施形態では、このような多モード干渉周期の波長依存性を利用して、特定の波長の光を阻止することが可能な、１入力１出力導波路デバイスを構成する。
【００２５】
図３は、図１及び図２に示す構造の波長選択性多モード干渉導波路デバイス１０において、導波路１からある波長を有する光波を入力した場合の、多モード干渉導波路部３における光波分布のシミュレーション結果を示す。このシミュレーション結果は、ＴＥモードの偏波に対するものである。また、シミュレーションはモード整合法を用いて行っている。図３において、３ａで示した部分は光強度が高い部分、３ｂで示した部分は光強度が最も高い部分であり、３ｃで示す部分は光強度が最も低い部分を示す。図示するように、光波の伝搬にともなって、ｘ方向の光強度分布が周期性を持って変化する様子が理解される。
【００２６】
図４（ａ）、（ｂ）は、図３に示すような光強度分布を有する多モード干渉導波路デバイスを、特定の波長λを遮断する波長選択性導波路デバイスとして機能させるための原理を説明する図である。図４（ａ）は、多モード干渉導波路部３を、図３の伝搬距離ｚ＝ｚ1の位置で切断し、ｘ＝０の位置に出力導波路２を接続した場合を示す。この位置では、ｘ＝０に光波パワーはほとんど存在しないため、ｘ＝０に出力導波路２を設置しても出力導波路２からは光波が出力されない。この状態の多モード干渉導波路部３の長さを、ＬMMIとする。
【００２７】
一方、ｚ＝ｚ１の位置で切断した場合であっても、入力導波路１から、波長λ以外の波長の光波を入力した場合、その波長での多モード干渉の周期は波長λの周期とは異なるため、図４（ｂ）に示すように、出力導波路２に光出力が現れるようになる。これにより、図３の伝搬距離ｚ＝ｚ1の位置で多モード干渉導波路部３を切断したデバイスを、波長λの入射光の伝搬を阻止する波長選択素子として機能させることが出来る。なお、このような波長帯域阻止特性は、多モード干渉導波路長が長い方が透過率の変化が急峻となる。即ち、入射光の波長がλから僅かに相違すると、透過率が急激に高くなる。従って、透過率の変化において必要な急峻さが得られるように、多モード干渉導波路部３の長さＬMMIを選択する。
【００２８】
なお、図３及び図４の光波分布は、ＴＥモードに対するシミュレーションに基づいているが、ＴＭモードの場合も、ＴＥモードとは長さ方向の周期が変化するだけで、殆ど同じ分布傾向を有する。従って、多モード干渉導波路デバイス１０を波長λの遮断デバイスとして機能させるための定性的議論には、ＴＥモードとＴＭモードを区別して考える必要はない。
【００２９】
次に、図１に示す多モード干渉導波路デバイス１０を、波長λの遮断デバイスとして機能させるための設計手順について、以下に説明する。
【００３０】
１）先ず、遮断波長λを決定し、多モード干渉導波路部３の材料と高さＷTを設定する。高さＷTは通常、入出力導波路１、２の高さと同じであり、また、デバイスの常識的な値として選択可能である。
【００３１】
２）多モード干渉導波路部３の幅ＷＭＭＩを設定し、多モード干渉導波路部３の長さに対する透過率をシミュレーションによって計算する。図５（ａ）は、多モード干渉導波路部３の幅ＷＭＭＩ＝１．０μｍに設定し、図５（ｂ）はＷＭＭＩ＝１．６μｍに設定してシミュレーションを行った結果を示している。これらの図から明らかなように、多モード干渉導波路部３の長さ（ＬMMI）に対して透過率は周期的に変化する。即ち、図５（ａ）の、ＷＭＭＩ＝１．０μｍに設定した場合は、周期１．２５μｍの奇数倍で、図５（ｂ）のＷＭＭＩ＝１．６μｍに設定した場合は、周期３．１６μｍの奇数倍で、透過率が周期的に変化することが分かる。また、図５（ａ）と図５（ｂ）を比較することによって、得られる遮断レベル（最小の透過率）が、多モード干渉導波路部３の幅によって変化することが理解される。具体的には、図５（ａ）に示すように、多モード干渉導波路部３の幅ＷＭＭＩが１．０μｍの場合は、遮断レベルが−５．５ｄＢであり、図５（ｂ）に示すように幅ＷＭＭＩが１．６μｍの場合は、遮断レベルは少なくとも（最低）−１５ｄＢとなる。従って、デバイスを設計する場合、必要な遮断レベルに応じて多モード干渉導波路部３の幅を決定すれば良い。
【００３２】
３）次に、多モード干渉導波路部３の長さ（ＬMMI）を変化させて、透過率の波長特性をシミュレーションによって求める。図６（ａ）は、多モード干渉導波路部３の幅ＷＭＭＩが１．０μｍである場合に、多モード干渉導波路部３の長さ（ＬMMI）を、２９，６μｍ、５１．０μｍ及び９８．４μｍとして、透過率の波長依存性を計算したグラフである。同様に、図６（ｂ）は、多モード干渉導波路部３の幅ＷＭＭＩが１．６μｍの場合に、多モード干渉導波路部３の長さ（ＬMMI）を４０．７μｍ、９１．６μｍ及び２７５．２μｍとして、透過率の波長依存性を計算したグラフである。これらの図からわかるように、多モード干渉導波路部３の長さ（ＬMMI）が長くなると、遮断する波長幅が狭くなる。従って、デバイス設計の目的とする遮断波長幅に応じて、適切に、多モード干渉導波路部の長さを決定すれば良い。
【００３３】
なお、図５（ａ）、（ｂ）および図６（ａ）、（ｂ）は、１）の段階で決定される遮断波長λを、ＴＥモードに対して１．２７μｍとし、多モード干渉導波路部３の高さＷTを０．３μｍとし、多モード干渉導波路部３をＳｉで構成した場合の、シミュレーション結果を示している。
【００３４】
以上の手順により、設定された波長λの光波成分を、所望の遮断レベルでかつ所望の遮断波長幅で遮断することが可能な、１入力１出力デバイスを設計することができる。例えば、多モード干渉導波路部３の高さＷT（＝入力導波路の高さ）を０．３μｍとし、幅ＷＭＭＩを１．６μｍ、長さＬMMIを９１．６μｍとした１入力１出力デバイスによって、図６（ｂ）から明らかなように、ＴＥモードの遮断中心波長λが１．２７２μｍで、かつ、波長１．２７２μｍの±４ｎｍの波長幅で透過率が−１０ｄＢ以下となるフィルタ特性を備えた、通過帯域阻止形フィルタを構成することができる。
【００３５】
以下の表１に、１入力１出力デバイスで構成した、通過帯域阻止形フィルタの構造の一例を要約する。
【表１】
【００３６】
＜第２の実施形態：１入力２出力デバイス＞
図７及び８に、本発明の第２の実施形態に係る波長選択型の１入力２出力デバイスを示す。本実施形態に係るデバイス２０は、シングルモードの導波路２１、２２、２３と多モード干渉導波路部２４とを備えており、これらは、シリコン基板２５上に形成したＳｉＯ2クラッド層２６中に埋め込まれている。なお、図７及び８では、導波路２１、２２、２３及び多モード干渉導波路部２４を被覆するクラッド層を省略して示している。このデバイス２０は、導波路２１から入力し、導波路２２及び２３に出力する分岐動作、逆に、導波路２２及び２３から入力し、導波路２１に出力する結合動作を行う、ＭＭＩ結合器を構成する。光波伝搬の相反性から、分岐動作と結合動作は同じように動作するので、以下においては分岐動作のみについてその構成を説明する。
【００３７】
図９は、図７及び８の構成を有するデバイス２０において、導波路２１から波長λの光波を入力した場合の、多モード干渉導波路部２４における光波分布のシミュレーション結果を示す。シミュレーションはモード整合法を用いて行った。光波の伝搬にともなって、ｘ方向の光強度分布が周期的に変化する様子が図から読み取れる。
【００３８】
ここで、適当な位置で多モード干渉導波路を切断し、２本の出力導波路（導波路２２及び２３）を接続する。例えば、図９の伝搬距離ｚ＝ｚ2で多モード干渉導波路部２４を切断して、Ｐx＝±ｘ1の位置に出力導波路２２及び２３を接続すると、ｚ＝ｚ2では、ほとんどの光波パワーがｘ＝０の位置に集中しているので、図１０に示すように、出力導波路２２及び２３には多モード干渉導波路部２４から殆ど光波が出力されない。一方、デバイス２０に、λ以外の波長を有する光波を入射すると、図９の光波パターンが入射光波長の変化に対応してずれるため、出力導波路２２、２３には多モード干渉導波路部２４から光波の出力が現れるようになる。
【００３９】
従って、波長λの入射光を遮断し、それ以外の波長の入射光を透過する多モード干渉導波路デバイスの構造を特定できれば、帯域阻止型のフィルタとして機能する１入力２出力デバイスを得ることが出来る。以下に、図７に示す多モード干渉導波路デバイス２０を、波長λの帯域阻止型のフィルタとして機能させるための設計手順を説明する。
【００４０】
１）先ず、遮断波長λを決定し、多モード干渉導波路部２４の厚さを常識的なデバイスの値として設定する。
２）多モード干渉導波路部２４の幅ＷＭＭＩを設定し、多モード干渉導波路部２４の長さＬＭＭＩに対する透過率を計算する。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、この計算結果をグラフに表したものであって、横軸は多モード干渉導波路部２４の長さＬ(MMI)をμｍ単位で示し、縦軸は透過率をｄＢで示している。図１１（ａ）の計算結果は、多モード干渉導波路部２４の幅ＷＭＭＩを１．０μｍとして得たものであり、図１１（ｂ）は１．６μｍとして得たものである。これらの図から明らかなように、多モード干渉導波路部２４の長さ（ＬMMI）に対して透過率は周期的に変化する。即ち、図１１（ａ）に示すように、多モード干渉導波路部２４の幅がＷＭＭＩ＝１．０μｍの場合は、周期２．３μｍの偶数倍で、図１１（ｂ）に示すように、多モード干渉導波路部２４の幅がＷＭＭＩ＝１．６μｍの場合は、周期６．２μｍの偶数倍で、透過率が最小となる。
【００４１】
ここで、１入力２出力デバイスの場合には、透過状態における透過率（出力が大きくなる長さＬMMIにおける透過率）が最大になるように出力導波路の位置Ｐｘを決める。多モード干渉導波路部２４の幅がＷＭＭＩ＝１．０μｍの場合（図１１（ａ））は、Ｐｘ＝０．３μｍ、幅ＷＭＭＩ＝１．６μｍの場合（図１１（ｂ））は、Ｐｘ＝０．４４μｍとなる。
【００４２】
図１１（ａ）と図１１（ｂ）を比較することによって、１入力１出力デバイスの場合と同様に、得られる遮断レベル（最小の透過率）が多モード干渉導波路部２４の幅ＷＭＭＩによって変化することが理解される。即ち、多モード干渉導波路の幅ＷＭＭＩ＝１．０μｍの場合（図１１（ａ））は−９．８ｄＢ、ＷＭＭＩ＝１．６μｍの場合（図１１（ｂ））は最低−１５ｄＢの遮断レベルが決まる。したがって、デバイスを設計にあたって、必要な遮断レベルに応じて多モード干渉導波路部２４の幅ＷＭＭＩを決定すれば良い。
【００４３】
３）次に、多モード干渉導波路部２４の長さを変化させて透過率の波長特性をシミュレーションによって求める。図１２（ａ）は、多モード干渉導波路部２４の幅ＷＭＭＩが１．０μｍの場合に、多モード干渉導波路部２４の長さ（ＬMMI）を、３０．８μｍ、５４．４μｍ、９４．７μｍとして、透過率の波長依存性を計算したグラフである。同様に、図１２（ｂ）は、多モード干渉導波路部２４の幅ＷＭＭＩが１．６μｍの場合に、多モード干渉導波路部２４の長さ（ＬMMI）を３１．６μｍ、１２６．４μｍ、２５２．９μｍとして、透過率の波長依存性を計算したグラフである。これらの図からわかるように、１入力１出力デバイスと同様に、多モード干渉導波路部２４の長さ（ＬMMI）が長くなると遮断する波長幅が狭くなる。例えば、図１２（ｂ）のＷＭＭＩ＝１．６μｍの場合、透過率が−１０ｄＢ以下となる波長幅は、ＬMMI＝３１．６μｍの場合に３１ｎｍ、ＬMMI＝１２６．４μｍの場合に９ｎｍ、ＬMMI＝２５２．９μｍの場合に５ｎｍとなる。これによって、デバイス設計の目的とする遮断波長幅に応じて、適切に、多モード干渉導波路部の長さを決定すれば良い。
【００４４】
以下の表２に、１入力２出力デバイスで構成した通過帯域阻止形フィルタの構造の一例を示す。このフィルタは、波長幅５ｎｍに渡って透過率が−１０ｄＢ以下を確保することができるように設計された帯域阻止フィルタである。
【表２】
【００４５】
上記実施形態１及び２は、シリコンを導波層として用い、その周りをＳｉＯ2クラッドで囲んだ導波路構造において、導波層厚３００ｎｍの導波路部構造で、ＴＥモードの特定の波長を遮断する多モード干渉導波路デバイスを設計する事例に関しているが、ＴＭモードの特定の波長を遮断する多モード干渉導波路デバイスに対しても、この設計手法を同様に適用することができる。また、他の導波路厚、多モード干渉導波路幅に対しても、この設計手法を同様に適用することができる。さらに、シリコンを導波層として用い、その周りをＳｉＯ2クラッドで囲んだ導波路構造以外の、任意の導波路部構造に対しても、この設計手法を同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１ 入力導波路
２ 出力導波路
３ 多モード干渉導波路部
４ シリコン基板
５ ＳｉＯ2クラッド層
１０ １入力１出力導波路デバイス
２０ １入力２出力導波路デバイス
２１ 入力導波路
２２、２３ 出力導波路
２４ 多モード干渉導波路部
２５ シリコン基板
２６ ＳｉＯ2クラッド層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定の波長の伝搬を阻止する帯域阻止フィルタとして機能し得る、波長選択性多モード干渉導波路デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、複数の波長を用いて、波長ごとに独立した信号を伝送する波長多重通信システムでは、特定の波長成分を選択的に分離することは、必須の要素技術として位置づけられる。波長成分を選択的に分離する代表的な素子として、従来、次の素子が知られている。
ａ．干渉膜フィルタ
ｂ．回折格子
ｃ．マッハツェンダ干渉計形フィルタ
ｄ．分布反射形（ＤＦＢ）導波路フィルタ
ｅ．導波路アレイ回折格子（ＡＷＧ）
【０００３】
上記ａ及びｂは、いわゆるバルク形光学素子（非導波路形）であり、空間を伝搬する空間ビーム光で光入出力を行い、波長に応じて出力方向が変わることで波長成分を選択するものである。一方、ｃ〜ｅは導波路形光学素子で、光導波路を伝搬する光に対して波長によって出力ポートが選択されて、波長成分が分離されるものである。
【０００４】
ここで、ｂ及びｅでは、波長成分ごとに異なる方向あるいは異なる出力ポートに出力されるため、特定の波長成分を光路から伝搬阻止するという本発明の目的とは異なる使い方になる。また、ｃは波長成分ごとに異なる二つのポートに出力を分離する素子であるが、分離特性は波長に対して周期的に現れるため、狭い波長範囲の光波の伝搬を阻止するという目的には不適当である。したがって、特定の波長成分を光路から伝搬阻止する目的に合致する従来技術としては、ａ及びｄが相当する。
【０００５】
ａは、支持体となる透明板の表面に、異なる屈折率をもつ２種類の薄膜をある定められた周期で交互に積層することで、透過及び反射の波長特性に所望の特性を与える。薄膜の積層の仕方によって、様々な波長特性を実現することができる。（例えば、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｉｔｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｏｐｔｉｃａｌ＿ｃｏａｔｉｎｇ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｇｋｋ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｐｄｆ／０１−１３−ｆｉｌｔｅｒｓ／０１１３−４６４７．ｐｄｆ参照。）
【０００６】
この中で、「帯域阻止」特性をもつフィルタは、ノッチフィルタとも呼ばれる。このデバイスを導波路で構成される光集積回路中に用いるためには、導波路を横断する溝を形成し、その溝にフィルタチップを挿入する必要があり、通常の導波路デバイス製造工程とは異なる工程が必要となる。特に、多くのフィルタチップを挿入する場合には、この製造工程の複雑化の問題が顕在化する。
【０００７】
一方、本発明と同様に導波路形デバイスに位置付けられるｄは、導波路中、あるいは導波路の表面もしくは側面に、光波の伝搬方向に沿って周期的な屈折率変化（回折格子）を形成することで実現される。すなわち、導波路を伝搬してきた光波が周期的屈折率変化部分に入射すると、屈折率変化の周期と導波路の実効屈折率で決まる特定の波長の光波成分のみが入射導波路側に反射されるため、導波路の透過出力側にはこの波長成分が出力されない（＝分布反射器）。すなわち、特定の波長成分の伝搬を阻止する帯域阻止フィルタとして機能する。
【０００８】
このｄにおいては、所望の阻止波長幅と阻止レベルを実現するためには、導波路の形状、導波路に形成する屈折率変化の大きさなどを正確に制御する必要がある。また、導波路と屈折率変化を形成するためには、一般に複数回のパターン形成やエッチング工程などが必要となり、製造工程の複雑化という問題が発生する。
【０００９】
なお、分布反射器の帯域阻止フィルタとしての機能を記述した代表的な文献として、以下の非特許文献１があり、また、導波路形デバイスの代表例である多モード干渉結合器（ＭＭＩカプラ）の文献として、非特許文献２が挙げられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｋ． Ｗａｇａｔｓｕｍａ， Ｈ． Ｓａｋａｋｉ， ａｎｄ Ｓ． Ｓａｉｔｏ， “Ｍｏｄｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｏｆ ｏｂｌｉｑｕｅｌｙ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｗａｖｅｓ ｉｎ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｆｉｌｔｅｒｓ，” ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ｖｏｌ． ＱＥ−１５， ｎｏ． ７， ｐｐ．６３２−６３７， １９７９．
【非特許文献２】Ｌ． Ｂ． Ｓｏｌｄａｎｏ ａｎｄ Ｅ． Ｃ． Ｍ． Ｐｅｎｎｉｎｇｓ， “Ｏｐｔｉｃａｌ ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｅｌｆ−ｉｍａｇｉｎｇ： ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，” Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｖｏｌ． １３， ｐｐ． ６１５−６２７， ｎｏ． ４， １９９５．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明は、特定の波長の伝搬を阻止する帯域阻止フィルタとしての機能を備えかつ製造が容易な、波長選択性多モード干渉導波路デバイスを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様では、多モード干渉導波路部と、前記多モード干渉導波路部の一端の中心に接続される第１の導波路と、前記多モード干渉導波路部の前記一端に対向する他端の中心に接続される第２の導波路と、を備える、多モード干渉導波路導波路デバイスにおいて、前記第１の導波路から入射し前記多モード干渉導波路部を伝搬して前記第２の導波路に出射する光波であって、所定の波長を有する光波の透過率が、前記多モード干渉導波路部と前記第２の導波路との接続部において当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、前記多モード干渉導波路部の幅及び長さが決定されていることを特徴とする、波長選択性多モード干渉導波路デバイスを提供する。
【００１３】
上記第１の態様において、上記要求仕様を少なくとも１０ｄＢとしても良い。また、第１の導波路から入射する前記光波の透過率を−１０ｄＢ以下とすることによって、当該デバイスを、前記波長における帯域阻止フィルタとして機能させるようにしても良い。
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の第２の態様では、多モード干渉導波路部と、前記多モード干渉導波路部の一端の中心に接続される第１の導波路と、前記多モード干渉導波路部の前記一端に対向する他端の中心から一定の距離に、互いに対称となるように配置された第２及び第３の導波路と、を備える、多モード干渉導波路導波路デバイスにおいて、前記第１の導波路から入射し前記多モード干渉導波路部を伝搬して前記第２の導波路と第３の導波路に出射する光波であって、所定の波長を有する前記光波の透過率が、前記多モード干渉導波路部と前記第２及び第３の導波路との接続部において当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、前記多モード干渉導波路部の幅及び長さ、さらに前記一定の距離が決定されていることを特徴とする、波長選択性多モード干渉導波路デバイスを提供する。
【００１５】
上記態様において、前記要求仕様は、少なくとも１０ｄＢ以上としても良い。また、前記第１の導波路から入射する前記光波の透過率を−１０ｄＢ以下とすることによって、当該デバイスを、前記波長における帯域阻止フィルタとして機能させるようにしても良い。
【発明の効果】
【００１６】
多モード干渉導波路を伝搬する光波では、入射光の波長に依存して多モード干渉が現れる周期が変化する。即ち、入射光の波長によって、多モード干渉の周期が異なる。この周期の違いを利用し、多モード干渉導波路を、その出射端で特定の波長を有する光波の透過率（出力光パワー／入射光パワー）が、例えば−１０ｄＢ以下となるような構造とすることによって、入射光から特定の波長成分のみを阻止するデバイスを作成することが出来る。
【００１７】
複数の波長を用いて、波長ごとに独立した信号を伝送する波長多重通信システムでは、特定の波長を選択的に分離することは、必要な要素技術と位置づけられている。その中で、本発明に係る、特定の波長の伝搬を阻止するデバイスは、不要波長成分を阻止する波長フィルタとして用いることができる。例えば、伝送システムの動作を監視するために、監視用の光として信号光とは異なる波長の光を用いるが、信号光に混じって監視用の光を受信すると困るので、受信端では監視用の波長成分を阻止する必要がある。本発明に係る波長選択性デバイスは、このような用途に対して有用である。
【００１８】
なお、本発明の多モード干渉導波路デバイスは、導波路を形成する工程で帯域阻止機能を実現する多モード干渉導波路も同時に形成されるため、背景技術の項で説明した、ｄの分布反射形（ＤＦＢ）導波路フィルタで発生する、製造工程の複雑化という問題は発生しない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る、１入力１出力導波路形デバイスの概略構成を示す斜視図。
【図２】図１に示すデバイスの上面図。
【図３】図１及び２に示すデバイスの、多モード干渉導波路部における光波伝搬に伴って生じる光パワー分布を示す図。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るデバイスの構成原理を説明するための図。
【図５】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るデバイスにおいて、多モード干渉導波路部の幅を１．０μｍとした場合の、多モード干渉導波路部の長さに対する透過率の関係を示し、（ｂ）は、幅を１．６μｍとした場合の、多モード干渉導波路部の長さに対する透過率の関係を示す図。
【図６】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るデバイスにおいて、多モード干渉導波路部の幅を１．０μｍとしその長さを変化させた場合の、波長に対する透過率の関係を示し、（ｂ）は、多モード干渉導波路部の幅を１．６μｍとしその長さを変化させた場合の、波長に対する透過率の関係を示す図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る、１入力２出力デバイスの概略構造を示す斜視図。
【図８】図７に示すデバイスの上面図。
【図９】図７及び８に示すデバイスの、多モード干渉導波路部における光波伝搬にともなって生じる光パワー分布を示す図。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係るデバイスの構成原理を説明するための図。
【図１１】（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係るデバイスにおいて、多モード干渉導波路部の幅を１．０μｍとした場合の、多モード干渉導波路部の長さに対する透過率の関係を示し、（ｂ）は、幅を１．６μｍとした場合の、多モード干渉導波路部の長さに対する透過率の関係を示す図。
【図１２】（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係るデバイスにおいて、多モード干渉導波路部の幅を１．０μｍとしその長さを変化させた場合の、波長に対する透過率の関係を示し、（ｂ）は、多モード干渉導波路部の幅を１．６μｍとしその長さを変化させた場合の、波長に対する透過率の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明の種々の実施形態を、図面を参照して説明するが、これらの実施形態は単に一例であって本発明を限定するものでは無い。また、全図面を通して、同じ符号は同一又は類似の構成要素を示すので、重複した説明は行わない。更に、各図は本発明の実施形態の説明のみを目的としており、従って各部分の図面上の大きさが実際の縮尺に対応するものではない。
【００２１】
＜第１の実施形態：１入力１出力導波路デバイス＞
以下に、本発明の第１の実施形態に係る、１入力１出力導波路形の波長選択性多モード干渉導波路デバイスについて説明する。このデバイスは、特定の波長の入射光を、当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たす程度、例えば、入射光のパワー（強度）と出射光のパワー（強度）の比（出射光パワー／入射光パワー）を−１０ｄＢ程度まで低下させることが可能な、波長帯域阻止特性を有する。
【００２２】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る多モード干渉デバイス１０の概略構造を示す斜視図である。このデバイス１０は、１入力導波路１出力導波路形のデバイスであり、後述するように、特定の波長の光の通過を阻止する、波長選択性デバイスである。波長選択性多モード干渉導波路デバイス１０は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハのシリコン層に形成される多モード干渉導波路部３とシングルモードの入力導波路１、出力導波路２とで構成されている。４はシリコン基板、５はＳｉＯ2クラッド層を示す。図示はしていないが、多モード干渉導波路デバイス１０を構成する多モード干渉導波路部３と入力導波路１、出力導波路２はＳｉＯ2のクラッド層５によって埋設されている。
【００２３】
図２に、デバイス１０の構造を定義するためのパラメータを示す。多モード干渉導波路部３の幅方向の端部に沿ってｘ軸を設定し、長さ方向にｚ軸を設定している。これによって、入力導波路１、出力導波路２は、ｘ方向に対称な位置（ｘ＝０）に配置される。入出力導波路１、２の断面の幅をＷで示し、多モード干渉導波路部３の幅をＷMMI、長さをＬMMI、厚さをＷT（図１参照）で示す。入出力導波路１、２及び多モード干渉導波路部３の厚さＷTは、通常、同じとされている。
【００２４】
本発明者等は既に、多モード干渉導波路部３におけるこのような光強度分布の周期、即ち、多モード干渉の周期が、多モード干渉導波路部３の幾何学的構造（幅、長さ、厚さ）、材料、更に入射する光の偏波に基づいて変化することを報告している（特願２０１１−１３００９３）が、その中で、多モード干渉の周期がさらに波長に基づいて変化することにも言及している。本実施形態では、このような多モード干渉周期の波長依存性を利用して、特定の波長の光を阻止することが可能な、１入力１出力導波路デバイスを構成する。
【００２５】
図３は、図１及び図２に示す構造の波長選択性多モード干渉導波路デバイス１０において、導波路１からある波長を有する光波を入力した場合の、多モード干渉導波路部３における光波分布のシミュレーション結果を示す。このシミュレーション結果は、ＴＥモードの偏波に対するものである。また、シミュレーションはモード整合法を用いて行っている。図３において、３ａで示した部分は光強度が高い部分、３ｂで示した部分は光強度が最も高い部分であり、３ｃで示す部分は光強度が最も低い部分を示す。図示するように、光波の伝搬にともなって、ｘ方向の光強度分布が周期性を持って変化する様子が理解される。
【００２６】
図４（ａ）、（ｂ）は、図３に示すような光強度分布を有する多モード干渉導波路デバイスを、特定の波長λを遮断する波長選択性導波路デバイスとして機能させるための原理を説明する図である。図４（ａ）は、多モード干渉導波路部３を、図３の伝搬距離ｚ＝ｚ1の位置で切断し、ｘ＝０の位置に出力導波路２を接続した場合を示す。この位置では、ｘ＝０に光波パワーはほとんど存在しないため、ｘ＝０に出力導波路２を設置しても出力導波路２からは光波が出力されない。この状態の多モード干渉導波路部３の長さを、ＬMMIとする。
【００２７】
一方、ｚ＝ｚ１の位置で切断した場合であっても、入力導波路１から、波長λ以外の波長の光波を入力した場合、その波長での多モード干渉の周期は波長λの周期とは異なるため、図４（ｂ）に示すように、出力導波路２に光出力が現れるようになる。これにより、図３の伝搬距離ｚ＝ｚ1の位置で多モード干渉導波路部３を切断したデバイスを、波長λの入射光の伝搬を阻止する波長選択素子として機能させることが出来る。なお、このような波長帯域阻止特性は、多モード干渉導波路長が長い方が透過率の変化が急峻となる。即ち、入射光の波長がλから僅かに相違すると、透過率が急激に高くなる。従って、透過率の変化において必要な急峻さが得られるように、多モード干渉導波路部３の長さＬMMIを選択する。
【００２８】
なお、図３及び図４の光波分布は、ＴＥモードに対するシミュレーションに基づいているが、ＴＭモードの場合も、ＴＥモードとは長さ方向の周期が変化するだけで、殆ど同じ分布傾向を有する。従って、多モード干渉導波路デバイス１０を波長λの遮断デバイスとして機能させるための定性的議論には、ＴＥモードとＴＭモードを区別して考える必要はない。
【００２９】
次に、図１に示す多モード干渉導波路デバイス１０を、波長λの遮断デバイスとして機能させるための設計手順について、以下に説明する。
【００３０】
１）先ず、遮断波長λを決定し、多モード干渉導波路部３の材料と高さＷTを設定する。高さＷTは通常、入出力導波路１、２の高さと同じであり、また、デバイスの常識的な値として選択可能である。
【００３１】
２）多モード干渉導波路部３の幅ＷＭＭＩを設定し、多モード干渉導波路部３の長さに対する透過率をシミュレーションによって計算する。図５（ａ）は、多モード干渉導波路部３の幅ＷＭＭＩ＝１．０μｍに設定し、図５（ｂ）はＷＭＭＩ＝１．６μｍに設定してシミュレーションを行った結果を示している。これらの図から明らかなように、多モード干渉導波路部３の長さ（ＬMMI）に対して透過率は周期的に変化する。即ち、図５（ａ）の、ＷＭＭＩ＝１．０μｍに設定した場合は、周期１．２５μｍの奇数倍で、図５（ｂ）のＷＭＭＩ＝１．６μｍに設定した場合は、周期３．１６μｍの奇数倍で、透過率が周期的に変化することが分かる。また、図５（ａ）と図５（ｂ）を比較することによって、得られる遮断レベル（最小の透過率）が、多モード干渉導波路部３の幅によって変化することが理解される。具体的には、図５（ａ）に示すように、多モード干渉導波路部３の幅ＷＭＭＩが１．０μｍの場合は、遮断レベルが−５．５ｄＢであり、図５（ｂ）に示すように幅ＷＭＭＩが１．６μｍの場合は、遮断レベルは少なくとも（最低）−１５ｄＢとなる。従って、デバイスを設計する場合、必要な遮断レベルに応じて多モード干渉導波路部３の幅を決定すれば良い。
【００３２】
３）次に、多モード干渉導波路部３の長さ（ＬMMI）を変化させて、透過率の波長特性をシミュレーションによって求める。図６（ａ）は、多モード干渉導波路部３の幅ＷＭＭＩが１．０μｍである場合に、多モード干渉導波路部３の長さ（ＬMMI）を、２９，６μｍ、５１．０μｍ及び９８．４μｍとして、透過率の波長依存性を計算したグラフである。同様に、図６（ｂ）は、多モード干渉導波路部３の幅ＷＭＭＩが１．６μｍの場合に、多モード干渉導波路部３の長さ（ＬMMI）を４０．７μｍ、９１．６μｍ及び２７５．２μｍとして、透過率の波長依存性を計算したグラフである。これらの図からわかるように、多モード干渉導波路部３の長さ（ＬMMI）が長くなると、遮断する波長幅が狭くなる。従って、デバイス設計の目的とする遮断波長幅に応じて、適切に、多モード干渉導波路部の長さを決定すれば良い。
【００３３】
なお、図５（ａ）、（ｂ）および図６（ａ）、（ｂ）は、１）の段階で決定される遮断波長λを、ＴＥモードに対して１．２７μｍとし、多モード干渉導波路部３の高さＷTを０．３μｍとし、多モード干渉導波路部３をＳｉで構成した場合の、シミュレーション結果を示している。
【００３４】
以上の手順により、設定された波長λの光波成分を、所望の遮断レベルでかつ所望の遮断波長幅で遮断することが可能な、１入力１出力デバイスを設計することができる。例えば、多モード干渉導波路部３の高さＷT（＝入力導波路の高さ）を０．３μｍとし、幅ＷＭＭＩを１．６μｍ、長さＬMMIを９１．６μｍとした１入力１出力デバイスによって、図６（ｂ）から明らかなように、ＴＥモードの遮断中心波長λが１．２７２μｍで、かつ、波長１．２７２μｍの±４ｎｍの波長幅で透過率が−１０ｄＢ以下となるフィルタ特性を備えた、通過帯域阻止形フィルタを構成することができる。
【００３５】
以下の表１に、１入力１出力デバイスで構成した、通過帯域阻止形フィルタの構造の一例を要約する。
【表１】
【００３６】
＜第２の実施形態：１入力２出力デバイス＞
図７及び８に、本発明の第２の実施形態に係る波長選択型の１入力２出力デバイスを示す。本実施形態に係るデバイス２０は、シングルモードの導波路２１、２２、２３と多モード干渉導波路部２４とを備えており、これらは、シリコン基板２５上に形成したＳｉＯ2クラッド層２６中に埋め込まれている。なお、図７及び８では、導波路２１、２２、２３及び多モード干渉導波路部２４を被覆するクラッド層を省略して示している。このデバイス２０は、導波路２１から入力し、導波路２２及び２３に出力する分岐動作、逆に、導波路２２及び２３から入力し、導波路２１に出力する結合動作を行う、ＭＭＩ結合器を構成する。光波伝搬の相反性から、分岐動作と結合動作は同じように動作するので、以下においては分岐動作のみについてその構成を説明する。
【００３７】
図９は、図７及び８の構成を有するデバイス２０において、導波路２１から波長λの光波を入力した場合の、多モード干渉導波路部２４における光波分布のシミュレーション結果を示す。シミュレーションはモード整合法を用いて行った。光波の伝搬にともなって、ｘ方向の光強度分布が周期的に変化する様子が図から読み取れる。
【００３８】
ここで、適当な位置で多モード干渉導波路を切断し、２本の出力導波路（導波路２２及び２３）を接続する。例えば、図９の伝搬距離ｚ＝ｚ2で多モード干渉導波路部２４を切断して、Ｐx＝±ｘ1の位置に出力導波路２２及び２３を接続すると、ｚ＝ｚ2では、ほとんどの光波パワーがｘ＝０の位置に集中しているので、図１０に示すように、出力導波路２２及び２３には多モード干渉導波路部２４から殆ど光波が出力されない。一方、デバイス２０に、λ以外の波長を有する光波を入射すると、図９の光波パターンが入射光波長の変化に対応してずれるため、出力導波路２２、２３には多モード干渉導波路部２４から光波の出力が現れるようになる。
【００３９】
従って、波長λの入射光を遮断し、それ以外の波長の入射光を透過する多モード干渉導波路デバイスの構造を特定できれば、帯域阻止型のフィルタとして機能する１入力２出力デバイスを得ることが出来る。以下に、図７に示す多モード干渉導波路デバイス２０を、波長λの帯域阻止型のフィルタとして機能させるための設計手順を説明する。
【００４０】
１）先ず、遮断波長λを決定し、多モード干渉導波路部２４の厚さを常識的なデバイスの値として設定する。
２）多モード干渉導波路部２４の幅ＷＭＭＩを設定し、多モード干渉導波路部２４の長さＬＭＭＩに対する透過率を計算する。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、この計算結果をグラフに表したものであって、横軸は多モード干渉導波路部２４の長さＬ(MMI)をμｍ単位で示し、縦軸は透過率をｄＢで示している。図１１（ａ）の計算結果は、多モード干渉導波路部２４の幅ＷＭＭＩを１．０μｍとして得たものであり、図１１（ｂ）は１．６μｍとして得たものである。これらの図から明らかなように、多モード干渉導波路部２４の長さ（ＬMMI）に対して透過率は周期的に変化する。即ち、図１１（ａ）に示すように、多モード干渉導波路部２４の幅がＷＭＭＩ＝１．０μｍの場合は、周期２．３μｍの偶数倍で、図１１（ｂ）に示すように、多モード干渉導波路部２４の幅がＷＭＭＩ＝１．６μｍの場合は、周期６．２μｍの偶数倍で、透過率が最小となる。
【００４１】
ここで、１入力２出力デバイスの場合には、透過状態における透過率（出力が大きくなる長さＬMMIにおける透過率）が最大になるように出力導波路の位置Ｐｘを決める。多モード干渉導波路部２４の幅がＷＭＭＩ＝１．０μｍの場合（図１１（ａ））は、Ｐｘ＝０．３μｍ、幅ＷＭＭＩ＝１．６μｍの場合（図１１（ｂ））は、Ｐｘ＝０．４４μｍとなる。
【００４２】
図１１（ａ）と図１１（ｂ）を比較することによって、１入力１出力デバイスの場合と同様に、得られる遮断レベル（最小の透過率）が多モード干渉導波路部２４の幅ＷＭＭＩによって変化することが理解される。即ち、多モード干渉導波路の幅ＷＭＭＩ＝１．０μｍの場合（図１１（ａ））は−９．８ｄＢ、ＷＭＭＩ＝１．６μｍの場合（図１１（ｂ））は最低−１５ｄＢの遮断レベルが決まる。したがって、デバイスを設計にあたって、必要な遮断レベルに応じて多モード干渉導波路部２４の幅ＷＭＭＩを決定すれば良い。
【００４３】
３）次に、多モード干渉導波路部２４の長さを変化させて透過率の波長特性をシミュレーションによって求める。図１２（ａ）は、多モード干渉導波路部２４の幅ＷＭＭＩが１．０μｍの場合に、多モード干渉導波路部２４の長さ（ＬMMI）を、３０．８μｍ、５４．４μｍ、９４．７μｍとして、透過率の波長依存性を計算したグラフである。同様に、図１２（ｂ）は、多モード干渉導波路部２４の幅ＷＭＭＩが１．６μｍの場合に、多モード干渉導波路部２４の長さ（ＬMMI）を３１．６μｍ、１２６．４μｍ、２５２．９μｍとして、透過率の波長依存性を計算したグラフである。これらの図からわかるように、１入力１出力デバイスと同様に、多モード干渉導波路部２４の長さ（ＬMMI）が長くなると遮断する波長幅が狭くなる。例えば、図１２（ｂ）のＷＭＭＩ＝１．６μｍの場合、透過率が−１０ｄＢ以下となる波長幅は、ＬMMI＝３１．６μｍの場合に３１ｎｍ、ＬMMI＝１２６．４μｍの場合に９ｎｍ、ＬMMI＝２５２．９μｍの場合に５ｎｍとなる。これによって、デバイス設計の目的とする遮断波長幅に応じて、適切に、多モード干渉導波路部の長さを決定すれば良い。
【００４４】
以下の表２に、１入力２出力デバイスで構成した通過帯域阻止形フィルタの構造の一例を示す。このフィルタは、波長幅５ｎｍに渡って透過率が−１０ｄＢ以下を確保することができるように設計された帯域阻止フィルタである。
【表２】
【００４５】
上記実施形態１及び２は、シリコンを導波層として用い、その周りをＳｉＯ2クラッドで囲んだ導波路構造において、導波層厚３００ｎｍの導波路部構造で、ＴＥモードの特定の波長を遮断する多モード干渉導波路デバイスを設計する事例に関しているが、ＴＭモードの特定の波長を遮断する多モード干渉導波路デバイスに対しても、この設計手法を同様に適用することができる。また、他の導波路厚、多モード干渉導波路幅に対しても、この設計手法を同様に適用することができる。さらに、シリコンを導波層として用い、その周りをＳｉＯ2クラッドで囲んだ導波路構造以外の、任意の導波路部構造に対しても、この設計手法を同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１ 入力導波路
２ 出力導波路
３ 多モード干渉導波路部
４ シリコン基板
５ ＳｉＯ2クラッド層
１０ １入力１出力導波路デバイス
２０ １入力２出力導波路デバイス
２１ 入力導波路
２２、２３ 出力導波路
２４ 多モード干渉導波路部
２５ シリコン基板
２６ ＳｉＯ2クラッド層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多モード干渉導波路部と、
前記多モード干渉導波路部の一端の中心に接続される第１の導波路と、
前記多モード干渉導波路部の前記一端に対向する他端の中心に接続される第２の導波路と、を備える、多モード干渉導波路デバイスにおいて、
前記第１の導波路から入射し前記多モード干渉導波路部を伝搬して前記第２の導波路に出射する光波であって、所定の波長を有する前記光波の透過率が、前記多モード干渉導波路部と前記第２の導波路との接続部において当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、前記多モード干渉導波路部の幅及び長さが決定されていることを特徴とする、波長選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスにおいて、前記要求仕様が少なくとも１０ｄＢである、波長選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項３】
請求項１に記載のデバイスにおいて、前記第１の導波路から入射する前記光波の透過率を−１０ｄＢ以下とすることによって、当該デバイスを前記波長における帯域阻止フィルタとして機能させることを特徴とする、波長選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項４】
多モード干渉導波路部と、
前記多モード干渉導波路部の一端の中心に接続される第１の導波路と、
前記多モード干渉導波路部の前記一端に対向する他端の中心から一定の距離に、互いに対称となるように配置された第２及び第３の導波路と、を備える、多モード干渉導波路導波路デバイスにおいて、
前記第１の導波路から入射し前記多モード干渉導波路部を伝搬して前記第２の導波路と第３の導波路に出射する光波であって、所定の波長を有する前記光波の透過率が、前記多モード干渉導波路部と前記第２及び第３の導波路との接続部において当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、前記多モード干渉導波路部の幅及び長さ、さらに前記一定の距離が決定されていることを特徴とする、波長選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項５】
前記請求項４に記載のデバイスにおいて、前記要求仕様は少なくとも１０ｄＢである、波長選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項６】
請求項４に記載のデバイスにおいて、前記第１の導波路から入射する前記光波の透過率を−１０ｄＢ以下とすることによって、当該デバイスを前記波長における帯域阻止フィルタとして機能させることを特徴とする、波長選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項１】
多モード干渉導波路部と、
前記多モード干渉導波路部の一端の中心に接続される第１の導波路と、
前記多モード干渉導波路部の前記一端に対向する他端の中心に接続される第２の導波路と、を備える、多モード干渉導波路デバイスにおいて、
前記第１の導波路から入射し前記多モード干渉導波路部を伝搬して前記第２の導波路に出射する光波であって、所定の波長を有する前記光波の透過率が、前記多モード干渉導波路部と前記第２の導波路との接続部において当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、前記多モード干渉導波路部の幅及び長さが決定されていることを特徴とする、波長選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスにおいて、前記要求仕様が少なくとも１０ｄＢである、波長選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項３】
請求項１に記載のデバイスにおいて、前記第１の導波路から入射する前記光波の透過率を−１０ｄＢ以下とすることによって、当該デバイスを前記波長における帯域阻止フィルタとして機能させることを特徴とする、波長選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項４】
多モード干渉導波路部と、
前記多モード干渉導波路部の一端の中心に接続される第１の導波路と、
前記多モード干渉導波路部の前記一端に対向する他端の中心から一定の距離に、互いに対称となるように配置された第２及び第３の導波路と、を備える、多モード干渉導波路導波路デバイスにおいて、
前記第１の導波路から入射し前記多モード干渉導波路部を伝搬して前記第２の導波路と第３の導波路に出射する光波であって、所定の波長を有する前記光波の透過率が、前記多モード干渉導波路部と前記第２及び第３の導波路との接続部において当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、前記多モード干渉導波路部の幅及び長さ、さらに前記一定の距離が決定されていることを特徴とする、波長選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項５】
前記請求項４に記載のデバイスにおいて、前記要求仕様は少なくとも１０ｄＢである、波長選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項６】
請求項４に記載のデバイスにおいて、前記第１の導波路から入射する前記光波の透過率を−１０ｄＢ以下とすることによって、当該デバイスを前記波長における帯域阻止フィルタとして機能させることを特徴とする、波長選択性多モード干渉導波路デバイス。
【図１】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【図３】
【図４】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【図３】
【図４】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−４１１４６（Ｐ２０１３−４１１４６Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７８３７９（Ｐ２０１１−１７８３７９）
【出願日】平成２３年８月１７日（２０１１．８．１７）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１７日（２０１１．８．１７）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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