(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長分割多重光信号を入力する入力導波路と、
前記波長分割多重光信号を分波して出力する複数本の出力導波路と、
前記入力導波路と前記出力導波路との間に設けられ導波路長が互いに異なる複数のチャンネル導波路を有するアレイ導波路と、
前記入力導波路とアレイ導波路との間に形成された入力側スラブ導波路と、
前記アレイ導波路と出力導波路との間に形成された出力側スラブ導波路と、
前記入力側スラブ導波路および出力側スラブ導波路の少なくとも一方のスラブ導波路内に設けられかつ前記アレイ導波路のチャンネル導波路と関連した位置にあって前記スラブ導波路のコア層とは屈折率が異なる２個所以上の島状領域と、
を具備し、
前記島状領域の屈折率が該島状領域の周りのコア層の屈折率よりも低くかつ前記島状領域が前記スラブ導波路のクラッド層と一体に形成され、
前記島状領域が前記入力導波路または出力導波路と前記アレイ導波路の各チャンネル導波路とを結ぶ各軸線の間に形成され、かつ、
前記島状領域の形状が、前記アレイ導波路に向かって幅が狭くなるテーパ状をなしていることを特徴とする光合分波器。
【請求項２】
前記島状領域の前記アレイ導波路と向かい合う側の端の幅が、５μｍ以上でかつ前記アレイ導波路の各チャンネル導波路のピッチ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
【請求項３】
前記各島状領域の幅と位置の少なくとも一方が、前記スラブ導波路の中心から該スラブ導波路の側部に向かって変化していることを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
【請求項４】
前記入力導波路に入力される波長分割多重光信号のチャンネル数をＮ、周波数間隔をＨ（ＧＨｚ）、前記アレイ導波路のチャンネル導波路数をＱとした場合、
Ｎ×Ｈ＜４００００×（ｌｏｇＱ）−５
なる関係を満足することを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
【請求項５】
前記テーパ状の島状領域の広い方の一端の幅が前記チャンネル導波路の配列ピッチの３８％〜６２％、狭い方の他端の幅が前記チャンネル導波路の配列ピッチの０％〜２６％であり、かつ、前記島状領域の長さと比屈折率差との積が０．４〜０．６であり、かつ、前記島状領域の前記他端から前記アレイ導波路の接続端までの距離が１００μｍ〜１５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
【請求項６】
前記島状領域の配列ピッチと前記チャンネル導波路の配列ピッチとを互いに異ならせたことを特徴とする請求項１または３に記載の光合分波器。
【請求項７】
前記各島状領域の軸線と、これら島状領域と向かい合うチャンネル導波路間の部位の軸線とのずれ量が、特定の島状領域からスラブ導波路の側部に向かって次第に増加するよう該島状領域が配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光合分波器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は波長分割多重光信号の合波あるいは分波に用いる光合分波器に係り、特に、挿入損失およびクロストーク（漏話信号）の低減が可能な光合分波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信の分野において、複数の信号を別々の波長の光にのせ、１本の光ファイバで伝送することによって情報容量を拡大する波長分割多重伝送方式が検討されている。この伝送方式においては、互いに異なる複数種類の波長の光を合波あるいは分波するための光合分波器が重要な役割を果たす。各種の光合分波器のうちアレイ回折格子を用いる光合分波器は、狭い波長間隔で波長の多重数を大きくすることができるため、有望視されている。
【０００３】
波長分割多重伝送方式に用いる光合分波器においては、半導体レーザ光源の波長制御許容範囲、光ファイバアンプの利得特性、分散補償ファイバの波長特性等の関係から、波長通過域の損失を減らすこと、および、通過域の急峻な立ち上がり・立ち下がりを実現することが重要な課題となる。従来より、波長通過域の損失を減らすための手段として、例えば特開平５−３１３０２９号公報に記載されているように、入力側スラブ導波路とアレイ導波路とのインタフェースにおいてアレイ導波路の端部をテーパ状とすることが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし前記従来技術のようにアレイ導波路の端部をテーパ状にする構造では、スラブ導波路内とアレイ導波路における固有モードの差によって損失が発生することから、低損失化に限界がある。
【０００５】
クロストーク（cross talk）に関しては、スラブ導波路の幅を可能な限り広くとり、かつ、スラブ導波路に接続されるアレイ導波路のチャンネル導波路数を多くすることにより、クロストークを低減できることが判っている。しかし、アレイ導波路のチャンネル導波路数を増やすと、屈折率の分布やチャンネル導波路幅の変動の影響を受け易くなり、ひいては損失の増加やクロストークレベルの悪化という逆の結果をまねくこともある。
【０００６】
クロストークは以下に述べるようにして計算される。
図２２は、一例としてＡＷＧ１００ＧＨｚ，８チャンネルにおけるＮｏ．５チャンネルの波長特性を示している。クロストークを計算する場合の基準は０（ゼロ）ｄＢではなく、中心波長における挿入損失である。
【０００７】
例えば図２２中のａは、Ｎｏ．５チャンネルの中心波長での挿入損失を示している。また、
ｂはＮｏ．５〜Ｎｏ．６チャンネル間のクロストーク、
ｃはＮｏ．５〜Ｎｏ．４チャンネル間のクロストーク、
ｄはＮｏ．５〜Ｎｏ．７チャンネル間のクロストーク、
ｅはＮｏ．５〜Ｎｏ．８チャンネル間のクロストーク、
ｆはＮｏ．５〜Ｎｏ．３チャンネル間のクロストーク、
ｇはＮｏ．５〜Ｎｏ．２チャンネル間のクロストーク、
ｈはＮｏ．５〜Ｎｏ．１チャンネル間のクロストーク、
を示している。
ここでＮｏ．５チャンネルでの総クロストークの平均は、
（ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈ）／７で表わされる。本明細書ではこうして計算された値をクロストークと称している。
【０００８】
一方、信号光を分割するためのパワースプリッター（power splitter）において、Ｙ分岐を多段に重ねた従来のスプリッターに変わり、スラブ導波路とチャンネル導波路とを組合わせたスプリッターが提案されている。その例として、“An integrated power splitter with ultra-low loss”（Integrated Photonics Research 1999, Santa Barbara,CA,July19-21,1999,pp.141-143）が報告されている。このスプリッターでは、材料に屈折率が３．０以上の半導体を用い、かつ、スラブ導波路の内部にコア層より屈折率がさらに高い高屈折領域を設けている。
【０００９】
しかし前記スプリッターは、出力導波路にコア幅１μｍのリブ型導波路を用いているためモード径が約１μｍと小さい。これに対し一般的な光ファイバでは、モード径が９〜１０μｍであるためこの部分でのモードミスマッチ（接続損失）が大きく、このモード径の差から１３ｄＢ以上の損失が発生してしまうことが予想される。よってこのスプリッター全体の損失はスプリッター自身の損失６〜７ｄＢと合わせると約２０ｄＢとなり、大きな損失値となってしまう。
【００１０】
しかもスラブ導波路内に形成された上記高屈折領域のサイズが、２．５μｍ×０．９μｍに過ぎないなど、各部の寸法が非常に小さく、層構造も複雑なため、製造時にばらつきを生じやすく、品質の安定性、再現性に問題がある。従ってこのようなスプリッターを用いて挿入損失などを飛躍的に改善することは困難である。
【００１１】
本発明の目的は、結合損失が低減されかつクロストークが改善され、しかも製造が容易な光合分波器を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成できる本発明は、波長分割多重光信号を入力する入力導波路と、前記波長分割多重光信号を分波して出力する複数本の出力導波路と、前記入力導波路と前記出力導波路との間に設けられ導波路長が互いに異なる複数のチャンネル導波路を有するアレイ導波路と、前記入力導波路と前記アレイ導波路との間に形成された入力側スラブ導波路と、前記アレイ導波路と前記出力導波路との間に形成された出力側スラブ導波路と、前記入力側スラブ導波路および出力側スラブ導波路の少なくとも一方のスラブ導波路内に設けられかつ前記アレイ導波路のチャンネル導波路と関連した位置にあって前記スラブ導波路のコア層とは屈折率が異なる２個所以上の島状領域とを具備している。
【００１３】
本発明では、前記島状領域の屈折率を、この島状領域の周りのコア層の屈折率りも低くしている。そして前記島状領域が、前記スラブ導波路のクラッド層と一体に形成されている。このように島状領域の屈折率が島状領域の周りのコア層の屈折率よりも低い場合、前記島状領域を、前記入力導波路または出力導波路と前記アレイ導波路の各チャンネル導波路とを結ぶ各軸線の間に配置する。
【００１４】
なお、島状領域の屈折率が島状領域の周りのコア層の屈折率よりも高い場合には、これら島状領域を前記軸線上に形成することにより、好ましい結果が得られる可能性がある。
【００１５】
本発明において、前記島状領域の形状が、前記アレイ導波路に向かって幅が狭くなるテーパ状をなしている。島状領域をこのようなテーパ形状とすることにより、スラブ導波路内の光強度分布を制御することが可能となり、アレイ導波路への結合効率を改善することができる。前記島状領域のアレイ導波路と向かい合う側の端の幅は、好ましくは５μｍ以上でかつ前記アレイ導波路の各チャンネル導波路のピッチ以下にするとよい。こうすることで、スラブ導波路やアレイ導波路、入力導波路および出力導波路を形成する際のエッチングのしやすさと品質の安定化ならびに、クラッド層を形成する際の十分な埋め込み性も確保できる。
【００１６】
また、前記複数の島状領域の幅および位置の少なくとも一方が、前記スラブ導波路の中心からスラブ導波路の側部に向かって変化していると良い場合がある。例えば前記複数の島状領域の幅が、前記スラブ導波路の中心からスラブ導波路の側部に向かって順次狭くなっている。
【００１７】
本発明では、前記入力導波路に入力される波長分割多重光信号のチャンネル数をＮ、周波数間隔をＨ（ＧＨｚ）、前記アレイ導波路のチャンネル導波路数をＱとした場合、Ｎ×Ｈ＜４００００×（ｌｏｇＱ）−５  なる関係を満足すべく、Ｑの値を可及的小さく設定することが可能である。
なお、この明細書と添付図面においては、本発明で言う島状の領域、すなわち「スラブ導波路内に形成され、スラブ導波路のコア層とは屈折率が異なる領域」を、“島状領域”あるいは単に“島”と表現することがある。
【００１８】
この発明の好ましい形態では、前記テーパ状の島状領域の広い方の一端の幅が前記チャンネル導波路の配列ピッチの３８％〜６２％、狭い方の他端の幅が前記チャンネル導波路の配列ピッチの０％〜２６％であり、かつ、前記島状領域の長さと比屈折率差との積が０．４〜０．６であり、かつ、前記島状領域の前記他端から前記アレイ導波路の接続端までの距離が１００μｍ〜１５０μｍである。
【００１９】
また、この発明の好ましい形態では、前記島状領域の配列ピッチと前記チャンネル導波路の配列ピッチとを互いに異ならせている。例えばチャンネル導波路の配列ピッチが２５μｍの場合に、島状領域の配列ピッチを２４．８μｍあるいは２５．２μｍに設定する。この発明の好ましい形態では、各島状領域の軸線と、これら島状領域と向かい合うチャンネル導波路間の部位の軸線とのずれ量が、特定の島状領域からスラブ導波路の側部に向かって次第に増加するよう島状領域が配置される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の第１の実施形態について図１から図６を参照して説明する。
図２に、アレイ導波路回折格子を用いた導波路型波長多重合分波素子（この明細書では光合分波器１０と称す）が示されている。
【００２１】
光合分波器１０は、石英ガラスあるいはシリコンなどからなる基板１１と、複数の入力導波路１２と、入力側スラブ導波路１３と、アレイ導波路１４と、出力側スラブ導波路１５と、複数の出力導波路１６などを備えている。入力導波路１２には光ファイバ（図示せず）等が光学的に接続され、光ファイバ等を介して波長分割多重光信号が入力する。
【００２２】
図３に示すように入力側スラブ導波路１３は、例えば石英ガラスなどからなる基板１１と、基板１１上に平面状に広がるコア層２０と、コア層２０を覆うクラッド層２１を備えている。入力側スラブ導波路１３は入力導波路１２とアレイ導波路１４との間に形成され、入力導波路１２とアレイ導波路１４とを光学的に接続している。入力導波路１２から入力側スラブ導波路１３に入力した波長分割多重光信号は、入力側スラブ導波路１３のコア層２０において回折効果により広がり、アレイ導波路１４の各チャンネル導波路２５に入射する。
【００２３】
アレイ導波路１４は、複数のチャンネル導波路２５を含んでいる。各チャンネル導波路２５は、互いに隣接するものどうしで、導波路長が少しずつ異なっている。このため各チャンネル導波路２５の一端側から入射した波長分割多重光信号は、周波数ごとに光の位相にずれを生じながら、各チャンネル導波路２５の他端側に向かって伝播する。この位相ずれ量は光の波長に依存し、集束光の波面が波長に応じて傾いているため、出力側スラブ導波路１５内での各光の集光位置は各光の波長に応じて異なっている。
【００２４】
こうして分波された波長の異なる光は、各波長に応じて別々の出力導波路１６から取出されることになる。従って出力側スラブ導波路１５はアレイ導波路１４と出力導波路１６との間に形成され、アレイ導波路１４と出力導波路１６とを光学的に接続している。出力側スラブ導波路１５の構成は入力側スラブ導波路１３と実質的に同じであってよい。
【００２５】
この明細書では、便宜上、光が入射する側（例えば一方の導波路１２）を入力側導波路、光が出射する側（例えば他方の導波路１６）を出力側導波路と称しているが、光が逆方向から入射する場合には、一方の導波路１２が出力側導波路、他方の導波路１６が入力側導波路となる。すなわちこの光合分波器１０は、信号光の伝達方向に関して双方向に同等の機能を果たすことができる。
【００２６】
この光合分波器１０は、入力側スラブ導波路１３と出力側スラブ導波路１５の少なくとも一方に、スラブ導波路１３，１５のコア層２０とは屈折率が異なる２個所以上の島状領域３０（図１に模式的に示す）を備えている。なお、図１においては、複数の入力導波路１２のうち１本のみを代表して示す。
【００２７】
この実施形態の場合、島状領域３０の屈折率はその周りのコア層２０の屈折率よりも低い。これらの島状領域３０は、図４に示すように例えば石英ガラス等からなる基板１１上に形成され、好ましくは、スラブ導波路１３のクラッド層２１と一体に形成されている。
【００２８】
前記複数の島状領域３０は、それぞれ、アレイ導波路１４のチャンネル導波路２５と関連した位置に形成されている。具体的に言えば、島状領域３０の屈折率がコア層２０よりも低い場合には、図１に示すように、入力導波路１２からアレイ導波路１４の各チャンネル導波路２５を結ぶそれぞれの軸線Ｘの間に、島状領域３０が形成されている。
【００２９】
これら島状領域３０は、スラブ導波路１３の中心から両側部１３ａ，１３ｂに向かって間隔を存して形成されている。しかもこの実施形態の島状領域３０は、それぞれ、アレイ導波路１４の各チャンネル導波路２５までの距離が一定となるように形成されている。島状領域３０の数は、チャンネル導波路２５の数よりも１だけ多い。
【００３０】
この実施形態のように島状領域３０をテーパ状としたことにより、後述するように、スラブ導波路１３内での光パワー分布をアレイ導波路１４の各チャンネル導波路２５に結合しやすくすることが可能となる。これにより、チャンネル導波路２５の配列ピッチＰ（図１に示す）を、例えば３０μｍ程度あるいはそれ以上に広げても、光パワーを効率よくアレイ導波路１４へ集中させることが可能となる。このためチャンネル導波路２５の数を少なくしても、光合分波器１０全体としての損失を増加させることがなく、かつ、クロストークを悪化させることもない。
【００３１】
この実施形態の島状領域３０は、図５および図６に拡大して示すように、アレイ導波路１４に向かって一端３０ａ側の幅Ｗ１よりも他端３０ｂ側の幅Ｗ２の方が狭くなるようなテーパ状（細長い台形）をなしている。島状領域３０のアレイ導波路１４と向かい合う側の端３０ｂの幅Ｗ２は、５μｍ以上で、かつ、各チャンネル導波路２５のピッチＰ以下としている。島状領域３０の長さＬは、例えば５０μｍ〜１００μｍである。
【００３２】
なお、図７は本発明の第２の実施形態の島状領域３０′を示している。この実施形態の島状領域３０′は、一端から他端に向かって幅Ｗ３がほぼ一定（矩形）である。それ以外の構成は前記第１の実施形態の光合分波器１０と共通であるため説明は省略する。
【００３３】
次に、前記第１の実施形態の光合分波器１０の製造方法について説明する。  基板１１には石英ガラスを用いる。スラブ導波路１３，１５のコア層２０と、アレイ導波路１４のチャンネル導波路２５は、ゲルマニウムを添加した石英ガラスによって６μｍの厚さで一体に形成した。ガラスの形成方法は、ＣＶＤ（Chemical vapor deposition）法、火炎堆積法（ＦＨＤ法）、蒸着法などを利用できる。クラッド層２１の屈折率（ｎｃ１）＝１．４５７４、コア層２０とチャンネル導波路２５の屈折率（ｎｃ０）＝１．４６８４、比屈折率差Δ＝０．７５％、チャンネル導波路２５の断面は６×６μｍ２とした。
【００３４】
コア層２０と島状領域３０の各パターンは、リアクティブイオンエッチング法により同時に形成した。パターン形成後に、クラッド層２１を所定の厚さに形成した。この実施形態の島状領域３０はコア層２０が部分的にえぐられ、その部分にクラッド層２１の一部が入り込んだ形になっている。なお、基板１１にシリコンを用いる場合には、図８と図９に示す第３の実施形態の光合分波器のスラブ導波路１３のように、基板１１とコア層２０との間に下部クラッド層２１′が形成される。
【００３５】
次に、前記光合分波器１０の作用について説明する。
入力導波路１２から入力側スラブ導波路１３に入射した波長分割多重信号光は、入力側スラブ導波路１３内においてこのスラブ導波路１３の幅方向に広がる。図５中のＰＨ１は、入射した信号光の等位相面を示している。広がった信号光のうち、島状領域３０を通らずにアレイ導波路１４のチャンネル導波路２５に向かう光Ａ１は、軸線Ｘに沿って直進し、チャンネル導波路２５に入射する。
【００３６】
入力導波路１２からスラブ導波路１３に入射した光のうち、一部の光Ａ２は島状領域３０に到達する。島状領域３０の屈折率がコア層２０の屈折率よりも小さい場合、島状領域３０を通過する光Ａ２は、島状領域３０を通らない光Ａ１よりも位相が速く進む性質がある。このため等位相面がＰＨ２で示すように変形し、その結果、光Ａ２の進行方向がやや傾く。
【００３７】
ここで、光Ａ２の進行方向の傾きがアレイ導波路１４の各チャンネル導波路２５へ向かうように、島状領域３０の形状と位置を最適化すれば、光Ａ２をアレイ導波路１４のチャンネル導波路２５に集中させることが可能となる。このことにより、各チャンネル導波路２５の間からクラッド層２１へ漏れる光が減少し、入力側スラブ導波路１３からアレイ導波路１４への結合損失が小さくなる。
【００３８】
島状領域３０を設けない従来の光合分波器の場合には、入力導波路から入力側スラブ導波路に入った光の一部が、チャンネル導波路間の部分からクラッド層に漏れる。クラッド層に漏れた光は導波モードとはならず、放射モードになりほとんどが損失する。この放射光のうち、一部の光が出力側スラブ導波路へ達することもあるが、これは位相が全く制御されていない光のため、出力導波路ではノイズの原因となり、クロストークを悪化させる原因となる。
【００３９】
本発明者らは、入力側スラブ導波路１３からアレイ導波路１４へ光を結合させるシミュレーションを行い、従来構造（島状領域３０を設けない場合）と、前記実施形態の島状領域３０を設けた場合とで、結合損失がどのように異なるのかを調べた。その結果を図１０に示す。
【００４０】
上記シミュレーションはクラッド層２１の屈折率（ｎｃ１）＝１．４５７４、コア層２０とチャンネル導波路２５の屈折率（ｎｃ０）＝１．４６９２、比屈折率差Δ＝０．７５％、チャンネル導波路２５の断面＝６×６μｍ２、スラブ導波路半径Ｒ＝２３８０μｍ、分波間隔は周波数において７０５ＧＨｚ（波長においてΔλ＝５．６４ｎｍ）に設定した。
【００４１】
シミュレーションの結果、従来構造は損失が４ｄＢであった。これに対し、本発明の第１の実施形態（図６に示すテーパ状の島状領域３０を設けた場合）は、損失が０．３４ｄＢまで低減できることが確認された。本発明の第２の実施形態（図７に示す矩形状の島状領域３０′を用いた場合）には、損失を１．２ｄＢまで低減できることが確認された。
【００４２】
アレイ導波路１４を構成する各チャンネル導波路２５は、互いに隣接するものどうしで導波路長が少しずつ異なるため、アレイ導波路１４に入射した波長分割多重光信号は、周波数ごとに光の位相にずれが生じた状態で、各チャンネル導波路２５から出力側スラブ導波路１５へと伝搬する。このとき、波長多重信号の各光は波長によって異なる点に集光される。その結果、それぞれの波長の光が別々の出力導波路１６に分かれて入射することになる。
【００４３】
島状領域３０は、入力側スラブ導波路１３と出力側スラブ導波路１５の双方に設ける場合もあるし、入力側スラブ導波路１３あるいは出力側スラブ導波路１５のいずれか一方のみに設ける場合もありえる。これらの相違は、導波路回折格子型光合分波器（例えば前記実施形態の光合分波器１０）の使い方に応じて区別される。
【００４４】
例えば出力側スラブ導波路１５に島状領域３０を形成しない場合、このスラブ導波路１５は島状領域３０を形成する場合と比較して短くなる。これはアレイ導波路１４から出力側スラブ導波路１５に入った時点で集光点が決定されるためである。出力側スラブ導波路１５内に島状領域３０を形成した場合には、光が島状領域３０を通過する際に再び位相変化の影響を受けるため、島状領域３０を通過し終わった時点から集光点までの距離が決定されることになる。
【００４５】
ここで島状領域３０の幅を、例えばスラブ導波路１３の中心から両側部に向かって順次変化させることにより、サイドローブの発生を抑えることができ、クロストーク特性をさらに向上させることが可能である。島状領域３０が全て同一形状の場合には、サイドローブを発生させる条件の揃う位置がメインローブに近付き、所定の出力導波路以外の出力導波路への光の漏れが増加する傾向となる。
【００４６】
そこで各々の島状領域３０の形状を少しずつ変化させることにより、サイドローブの発生条件が整う位置をメインローブから大きく離すことが可能となり、所定の出力導波路以外の出力導波路に入射する光を減らすことができる。
【００４７】
本発明者らは、島状領域３０を有しない従来の光合分波器の波長特性を解析するためのシミュレーションを行い、挿入損失とクロストーク値を求めた。その結果、最小挿入損失が−４．４６ｄＢ、隣接チャンネル以外のクロストークレベルが４１．３８ｄＢとなった。ここで信号光のチャンネル数（Ｎ）は８、クラッド層の屈折率（ｎｃ１）＝１．４５７４、コア層の屈折率（ｎｃ０）＝１．４６９２、比屈折率差Δ＝０．７５％、チャンネル導波路の断面＝６×６μｍ２、スラブ導波路半径Ｒ＝２３８０μｍ、分波間隔は周波数において７０５ＧＨｚ（波長においてΔλ＝５．６４ｎｍ）に設定した。
【００４８】
これに対し、互いに同一形状の複数の島状領域３０を、それぞれスラブ導波路の軸線Ｘ方向に関して互いに同等の位置に設けた前記実施形態の光合分波器１０は、挿入損失が−１．８１ｄＢ、クロストークは４１．３９ｄＢであり、前記従来例と比較して挿入損失が約２．７ｄＢ改善されることが確認された。
【００４９】
さらに本発明者らは、互いに同一形状の複数の島状領域３０の位置を、それぞれスラブ導波路の軸線Ｘ方向に関して少しずつ変化させた実施形態についても、シミュレーションを行った。その結果、挿入損失が−３．２７ｄＢ、クロストークが５０．４５ｄＢであった。すなわちこの実施形態は、島状領域３０を有しない前記従来例と比較して、クロストーク値で約１０ｄＢの改善効果が得られることがわかった。
【００５０】
さらに本発明者らは、アレイ導波路１４のチャンネル導波路数Ｑと、（信号光のチャンネル数Ｎ）×（周波数間隔Ｈ）との関係について検討した。図１１にそれらの関係をプロットしたグラフを示す。島状領域３０を設けた場合には、境界曲線Ｎ×Ｈ＝４００００×（ｌｏｇＱ）−５の内側にプロットが存在している。これに対し島状領域３０を設けない従来例の場合には、前記境界曲線の外側にプロットが存在することが判った。
【００５１】
すなわち島状領域３０を設けない従来の光合分波器は、チャンネル数Ｎと周波数間隔Ｈが一定であればチャンネル導波路２５の数が多くなる傾向にある。これは所定の挿入損失の達成やクロストークの改善のために設計上どうしても避けられない。これに対し本発明の実施形態の光合分波器１０のように、スラブ導波路１３，１５の少なくとも一方に島状領域３０を形成した場合には、効率よくアレイ導波路１４へ光を結合できるため、チャンネル導波路２５の数を従来品よりも少なくすることができるという長所がある。
【００５２】
図１と図６に示されたテーパ状の島状領域３０は、広い方の一端３０ａの幅をＷ１、狭い方の他端３０ｂの幅をＷ２、島状領域３０の長さをＬ、チャンネル導波路２５の配列ピッチをＰ、島状領域３０の他端３０ｂからアレイ導波路１４の接続端１４ａまでの距離をＧで表している。本実施形態では、目標とする損失基準を、従来のアレイ導波路格子（ＡＷＧ）の損失と区別するために、現実的な、より小さい値１．５ｄＢに設定した。チャンネル導波路２５の配列ピッチＰは、２５μｍである。
【００５３】
図１２は、上記距離Ｇを変化させたときの損失の変化を示している。距離Ｇが１００μｍ〜１５０μｍの範囲であれば目標値１．５ｄＢを満足することができた。
【００５４】
図１３は、長さＬを変化させたときの損失の変化を示している。長さＬが５５μｍ〜７５μｍの範囲であれば、目標値１．５ｄＢを満足することができた。長さＬはコア層２０とクラッド層２１の比屈折率差Δの変化に対して反比例する。このため比屈折率差Δが変化しても、長さＬ（μｍ）と比屈折率差Δの積は、ほぼ一定になる。
【００５５】
例えばこの実施形態ではクラッド層２１の屈折率（ｎｃ１）を１．４５７４、コア層２０とチャンネル導波路２５の屈折率（ｎｃ０）を１．４６８４としているため、比屈折率差Δは０．００７５である。比屈折率差Δを０．００７５で設定した場合に、長さＬ（μｍ）と比屈折率差Δの積（Ｌ×Δ）が０．４〜０．６であれば、目標値１．５ｄＢを満足することができる。
【００５６】
図１４は、テーパ状の島状領域３０の一端３０ａの幅Ｗ１を変化させたときの損失の変化を示している。幅Ｗ１が９．５μｍ〜１５，５μｍの範囲であれば、目標値１．５ｄＢを満足することができた。チャンネル導波路２５の配列ピッチＰは２５μｍであるから、９．５μｍ〜１５，５μｍは、配列ピッチＰの３８％〜６２％に相当する。
【００５７】
図１５は、テーパ状の島状領域３０の他端３０ｂの幅Ｗ２を変化させたときの損失の変化を示している。幅Ｗ２が０〜６．５μｍの範囲であれば目標値１．５ｄＢを満足することができた。チャンネル導波路２５の配列ピッチＰは２５μｍであるから、０〜６．５μｍは、配列ピッチＰの０％〜２６％に相当する。なお、Ｗ２がピッチＰの０％の場合には、島状領域３０の他端３０ｂが二等辺三角形の頂点のように尖っていることを意味する。
【００５８】
以上述べた理由により、幅Ｗ１をピッチＰの３８％〜６２％、幅Ｗ２をピッチＰの０％〜２６％とし、かつ、長さＬと比屈折率差Δとの積を０．４〜０．６とし、さらに、島状領域３０の端３０ｂからアレイ導波路１４の接続端１４ａまでの距離Ｇを１００μｍ〜１５０μｍとすることが推奨される。
【００５９】
図１６は本発明の第４の実施形態の光合分波器のスラブ導波路１３とアレイ導波路１４を示している。この実施形態では、クロストークを改善するために、島状領域３０の配列ピッチとチャンネル導波路２５の配列ピッチＰとを互いにδＰだけ僅かに異ならせている。この明細書では、アレイ導波路１４の接続端１４ａでの島状領域３０の軸線Ｃ１のピッチと、チャンネル導波路２５のピッチＰとの差を、チャープ（chirping）量δＰと称している。
【００６０】
チャンネル導波路２５の配列ピッチＰの一例は２５μｍ、チャープ量δＰの一例は０．２μｍである。この場合、島状領域３０のピッチは２４．８μｍ、あるいは２５．２μｍに設定される。
【００６１】
具体的には、図１６に示すように、各島状領域３０の軸線をＣ１、各島状領域３０と向かい合うチャンネル導波路２５間の部位３５の軸線をＣ２とする。この場合、Ｃ１とＣ２のずれ量が、特定の島状領域３０１からスラブ導波路１３の両側部１３ａ，１３ｂ（図１に示す）に向かって次第に増加するよう、各島状領域３０がピッチ（Ｐ−δＰ）で配置されている。すなわち島状領域３０の配列ピッチを、チャンネル導波路２５の配列ピッチＰよりもδＰだけ小さくしている。
【００６２】
このため、特定の島状領域３０１からｎ番目の島状領域３０の軸線Ｃ１は、アレイ導波路１４側の軸線Ｃ２に対して（ｎ×δＰ）だけずれることになる。特定の島状領域３０１は、例えばスラブ導波路１３の幅方向中央に位置する島状領域である。この場合、特定の島状領域３０１からスラブ導波路１３の両側部に向かって、軸線Ｃ１，Ｃ２のずれ量（ｎ×δＰ）が次第に大きくなってゆく。
【００６３】
このように島状領域３０とチャンネル導波路２５のピッチを互いにずらすことにより、光の収束地点での界分布（遠方界）をコントロールし、光のパワーのうちクロストークに影響する部分の光のパワーを充分に抑えることが可能となる。
【００６４】
図１７は、前記チャープ量δＰを変化させたときの損失とクロストークの変化をシミュレーションによって求めた結果である。チャンネル数は８、スラブ導波路半径は９３８１μｍ、チャンネル導波路数６０本、チャンネル導波路のピッチＰを２５μｍとした。チャンネル導波路間の光路長差は１２６μｍである。この構成での波長間隔は約０．８ｎｍで、周波数間隔では１００ＧＨｚに相当する。図１７に示すように、チャープ量が増加するにつれてクロストークレベルが減少することが確認された。これに伴い、挿入損失はやや増加する傾向にあるが、最大でも７ｄＢ程度であり、島状領域を形成しないタイプに比較すれば、まだ低い損失であり、実用上問題のないレベルである。この結果、チャープ量が±０．４μｍのときもっとも良好な結果が得られた。
【００６５】
図１８は、本発明の第５の実施形態の光合分波器のスラブ導波路１３とアレイ導波路１４を示している。この実施形態では、クロストークを改善するために、テーパ状の島状領域３０の一端３０ａの幅Ｗ１を、スラブ導波路１３の中心から両側部に向かって、δＷずつ次第に小さくしている。島状領域３０の他端３０ｂの幅Ｗ２は一定である。このような第５の実施形態によっても、前記第４の実施形態と同様に、クロストークレベルを減少させることができる。
【００６６】
図１９は本発明の第６の実施形態の島状領域３０Ａをハッチングによって示している。この島状領域３０Ａの両側面３０ｅ，３０ｆは、互いに接し合う２つの楕円Ｖ１，Ｖ２の向かい合う円弧の半分に沿うテーパ形状をなしている。
【００６７】
図２０は本発明の第７の実施形態の島状領域３０Ｂを示している。この島状領域３０Ｂの両側面３０ｅ，３０ｆは、互いに離れた２つの楕円Ｖ１，Ｖ２の向かい合う円弧の半分に沿うテーパ形状をなしている。
【００６８】
図２１は本発明の第８の実施形態の島状領域３０Ｃを示している。この島状領域３０Ｃの長さＬは、楕円Ｖ１，Ｖ２の長軸方向の円弧の半分よりも短い。
このような楕円に沿う側面３０ｅ，３０ｆを有する島状領域３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを用いることにより、島状領域３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに入射した光を、効率良くチャンネル導波路２５に集中させることが可能となる。
【００６９】
なお本発明においては、アレイ導波路のチャンネル導波路本数および島状領域の数を増やすことにより、挿入損失の低減ならびにクロストークの低減を図ることが可能である。この効果は、従来のアレイ導波路格子（ＡＷＧ：arrayed-waveguide-grating）でも得られるが、特に本発明のようにスラブ導波路内に島状領域を有する構造が採用された場合に、挿入損失とクロストークの低減効果が大きく現れるため、より有効な手段となる。
【００７０】
【発明の効果】
請求項１に記載した発明によれば、スラブ導波路内に前記島状領域を形成したことにより、入力側スラブ導波路の終点の電界分布をアレイ導波路での電界分布に近付けることができ、光合分波器の低損失化を図ることができる。
【００７１】
請求項１の発明によれば、前記島状領域の屈折率をコア層の屈折率よりも低くすることにより、島状領域を通る光をアレイ導波路のチャンネル導波路に集中させることができる。
【００７２】
また、前記島状領域の屈折率をクラッド層と同じにすることにより、この光合分波器を製造する過程でマスクパターンを設計する際に、島状領域に対応したパターンを形成するだけで、スラブ導波路の所定位置にクラッド層と一体に島状領域を形成することができる。このため、島状領域を設けても製造上のプロセスの変更あるいはプロセスの追加を必要としない。
【００７３】
請求項１の発明では、入力導波路または出力導波路とアレイ導波路の各チャンネル導波路とを結ぶ各軸線の間に、前記それぞれの島状領域を設けることにより、島状領域を通る光をアレイ導波路のチャンネル導波路に集中させることができるとともに、前記島状領域をアレイ導波路に向かって幅が狭くなるようなテーパ形状とすることにより、アレイ導波路の各チャンネル導波路に対する光の集中度をさらに高めることができる。
【００７５】
請求項２に記載した発明によれば、スラブ導波路やアレイ導波路、入力導波路および出力導波路を形成する際のエッチングの安定化、ならびに、コア層および島状領域に対するクラッド層の十分な埋め込み性を確保できる。
【００７６】
請求項３に記載した発明によれば、前記それぞれの島状領域の形状を僅かずつ変化させることでサイドローブの発生を抑えることが可能となり、クロストーク特性をさらに改善することができる。
請求項４に記載した発明によれば、アレイ導波路の配列ピッチを広くとることができるとともに、チャンネル導波路数を減らすことができる。
【００７７】
請求項５に記載した発明によれば、テーパ状の島状領域の両端の寸法や長さ、島状領域とアレイ導波路との位置関係を最適化することにより、損失とクロストークレベルをより低くすることが可能となる。
【００７８】
請求項６に記載した発明によれば、島状領域の配列ピッチとチャンネル導波路の配列ピッチを互いに僅かに異ならせることにより、収束地点での界分布をクロストークレベルが低い分布に変化させることができる。
【００７９】
請求項７に記載した発明によれば、各島状領域とチャンネル導波路とのずれ量を島状領域の配列方向に変化させることにより、収束地点での界分布をより好ましい分布に変化させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態を示す光合分波器の一部の平面図。
【図２】  図１に示された光合分波器の全体の斜視図。
【図３】  図１中のＦ３−Ｆ３に沿う光合分波器の一部の断面図。
【図４】  図１中のＦ４−Ｆ４に沿う光合分波器の一部の断面図。
【図５】  図１に示された光合分波器の要部を示す拡大図。
【図６】  図１に示された光合分波器の島状領域の平面図。
【図７】  本発明の第２の実施形態を示す光合分波器の島状領域の平面図。
【図８】  本発明の第３の実施形態を示す光合分波器の一部の断面図。
【図９】  図８に示された光合分波器の島状領域の断面図。
【図１０】  本発明の第１および第２の実施形態と従来の光合分波器の出力を示す図。
【図１１】  チャンネル導波路数と、信号光のチャンネル数×周波数間隔との関係を示す図。
【図１２】  図６に示した島状領域とアレイ導波路との間の距離Ｇと損失との関係を示す図。
【図１３】  図６に示した島状領域の長さＬと損失との関係を示す図。
【図１４】  図６に示した島状領域の一端側の幅Ｗ１と損失との関係を示す図。
【図１５】  図６に示した島状領域の他端側の幅Ｗ２と損失との関係を示す図。
【図１６】  本発明の第４の実施形態を示す光合分波器の一部の平面図。
【図１７】  図１６に示された島状領域のチャープ量と、損失およびクロストークとの関係を示す図。
【図１８】  本発明の第５の実施形態を示す光合分波器の一部の平面図。
【図１９】  本発明の第６の実施形態である島状領域をハッチングで示す平面図。
【図２０】  本発明の第７の実施形態である島状領域をハッチングで示す平面図。
【図２１】  本発明の第８の実施形態である島状領域をハッチングで示す平面図。
【図２２】  クロストークを説明するための波長特性を示す図。
【符号の説明】
１０…光合分波器
１１…基板
１２…入力導波路
１３…入力側スラブ導波路
１４…アレイ導波路
１５…出力側スラブ導波路
１６…出力導波路
３０，３０′…島状領域
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…島状領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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