(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第１及び第２入力導波路と、これら第１及び第２入力導波路のそれぞれに光学的に接続する入力側スラブ導波路と、前記入力側スラブ導波路に接続し複数の導波路から成るアレイ導波路回折格子と、前記アレイ導波路回折格子に接続する出力側スラブ導波路と、前記出力側スラブ導波路に接続する複数の出力導波路とが形成された光波長合分波器において、
前記第２入力導波路の出力端面は、前記入力側スラブ導波路の入力端面から離間して配置されるとともに、前記第１入力導波路と反対側を向くよう前記第２入力導波路の光軸に垂直な平面と角度θ（但、０°＜θ＜９０°）をなすことを特徴とする光波長合分波器。
【請求項２】
前記第２入力導波路として複数の入力導波路を有し、これら入力導波路の出力端面の角度θが相互に異なることを特徴とする請求項１に記載の光波長合分波器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアレイ導波路回折格子型光合分波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信における伝送容量を飛躍的に増大させる方法として、光波長（光周波数）多重通信の研究開発が盛んに行われている。この光波長（光周波数）多重通信においては、１ｎｍ程度の狭い波長間隔で複数の信号光を合成して光ファイバ内を伝送させ、また、信号光を各波長に分割することが行われている。そして、このような波長多重信号光を合分波するためのデバイスとして、回折次数に制限がある従来の回折格子に代え、アレイ導波路回折格子を利用した合分波器が使用されている。
【０００３】
アレイ導波路回折格子型合分波器は、従来、図４に示す構造例を有している。図４において、入力導波路１０３に入射した波長多重信号光２００は、これに接続する入力側スラブ導波路１１０の曲率中心１１０ｙからスラブ導波路１１０に導入され、スラブ導波路１１０内を回折する。そして、等位相（等位相面２１０）でアレイ導波路回折格子１０７中を伝送する。アレイ導波路回折格子１０７は複数のチャンネル導波路１０７ａから成っており、隣接するチャンネル導波路１０７ａ間で導波路長がΔＬ異なるために光の分波が可能となっている。なお、図示上方の導波路に行くほど導波路長が長くなっている。
【０００４】
そして、チャンネル導波路１０７ａを伝送した光は、出力側スラブ導波路１１２に導入されて導波路１１２内を回折し、
ｎｓＤｓｉｎφ１１２＋ｎｃΔＬ＝ｍλ                                …（１）
の関係式を満たすようにして、出力側スラブ導波路１１２の出力端面１１２ａに集光される。ここで、Ｄ：チャンネル導波路１０７ａ間の間隔、λ：信号光の波長、ｎｓ、ｎｃ：それぞれスラブ導波路、チャンネル導波路の屈折率、φ１１２：回折角、である。
【０００５】
このとき、回折角φ１１２＝０となる波長（中心波長）の光の等位相面は図示２２０ａとなるので、光は曲率中心Ｏに集光され、中心波長用出力導波路１０５ａから取り出される。一方、回折角φ１１２を有する波長の光の等位相面２２０は、中心波長光の等位相面２２０ａに対して図示左回りに角度φ１１２傾いており、光は曲率中心Ｏと異なる位置Ｐに集光される。ここで、Ｏ−Ｐ間の距離をｘとすると、（１）式より分散は、
ｄｘ／ｄλ＝（ｆｏΔＬ）／（ｎｓＤλＭ）×（ｎｃ−λＭｄｎｃ／ｄλ）  …（２）
で求められる。ここで、ｆｏ：出力側スラブ導波路の曲率半径、λＭ：中心波長、である。
【０００６】
すなわち、曲率中心Ｏと距離ｄｘだけ離れた位置に出力導波路１０５を配置すれば、（２）式により中心波長に対して波長ｄλだけ異なった分波光を取り出すことが可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した合分波器の場合、合分波器を製造する際の加工精度の問題から、各チャンネル導波路のコア幅や屈折率が設計値からわずかにずれ、合分波される光の中心波長が設計値からずれてしまうという問題があった。
そして、アレイ導波路回折格子型合分波器では、中心波長前後の狭い波長の光で損失が極めて小さくなるという特性があるため、中心波長がずれると使用波長での光損失が大きくなって、合分波を繰り返すうちに信号光が減衰してしまう可能性があった。
【０００８】
このような問題を解決する技術として、入力導波路及び出力導波路をスラブ導波路の曲率中心と異なる位置に複数個接続し、中心波長のずれを補正する技術が提案されている（特開平９−４９９３６号参照）。この技術では、例えば、図４において中心波長光の集光位置がＯからＰにずれた場合、入力光を曲率中心１１０ｙからずれた位置Ｑに入射し、入力側の等位相面２１０ａを２１０に対して右回りに角度φ１１２傾けておくことで、ずれを打ち消すだけの補正量を生じさせ、中心波長のずれを補正している。
【０００９】
ところが、中心波長のずれ量は任意の値をとるのに対し、補正用の入出力導波路の設置位置を連続的にすることはできない。これは、導波路間隔があまり狭くなると、導波路間での光の結合が生じて光学特性が劣化するためである。このため、波長のずれに対しては離散的な補正しかできなかった。
本発明は、アレイ導波路回折格子型合分波器における上記した問題を解決し、中心波長のずれ量がどのような値であっても、それに応じて入力側スラブ導波路への光の入射位置の間隔を入力導波路間隔よりも小さく設定し、中心波長のずれを大幅に低減可能にしたアレイ導波路回折格子型合分波器の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、基板上に、第１及び第２入力導波路と、これら第１及び第２入力導波路のそれぞれに光学的に接続する入力側スラブ導波路と、前記入力側スラブ導波路に接続し複数の導波路から成るアレイ導波路回折格子と、前記アレイ導波路回折格子に接続する出力側スラブ導波路と、前記出力側スラブ導波路に接続する複数の出力導波路とが形成された光波長合分波器において、前記第２入力導波路の出力端面は、前記入力側スラブ導波路の入力端面から離間して配置されるとともに、前記第１入力導波路と反対側を向くよう前記第２入力導波路の光軸に垂直な平面と角度θ（但、０°＜θ＜９０°）をなすことを特徴とする光波長合分波器が提供される（請求項１）。
また、本発明においては、前記第２入力導波路として複数の入力導波路を有し、これら入力導波路の出力端面の角度θが相互に異なることを特徴とする請求項１に記載の光波長合分波器が提供される（請求項２）。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器の基本構成例を図１に基づいて説明する。
図１において、基板１上に、入力導波路３と、入力側スラブ導波路１０と、複数のチャンネル導波路７ａから成るアレイ導波路回折格子７と、出力側スラブ導波路１２と、複数の出力導波路５が形成されている。そして、入力側スラブ導波路１０の出力端面１０ｂとアレイ導波路回折格子７、アレイ導波路回折格子７と出力側スラブ導波路１２の入力端面１２ｂ、出力側スラブ導波路１２の出力端面１２ａと出力導波路５がそれぞれ接続されている。ここで、基板１の材料としては、例えば、シリコンやガラスを用いることができる。
【００１２】
入力導波路３、チャンネル導波路７ａ、および出力導波路５は、それぞれリッジ型の導波路となっていて、例えば、クラッド層の上にこれより屈折率の高いリッジ部をコアとして形成させた後、その上層にクラッド層を積層して作成することができる。クラッド層及びコアとしては、例えば、石英系ガラスや種々の光学材料を用いることができる。
【００１３】
入力導波路３は、入力側スラブ導波路１０の曲率中心１０ｙに接続する基準入力導波路３ａと、入力側スラブ導波路１０の入力端面１０ａにその出力端面３ｓが離間して配置される補正用入力導波路３ｂから成っている。そして、基準入力導波路３ａに入射した光は、それぞれ等位相でチャンネル導波路７ａに導入されるが、後述するように、補正用入力導波路３ｂに入射した光の等位相面は上記導波路３ａに入射した光の等位相面に対して傾くことによって、波長のずれを補正するようになっている。なお、図１においては、基準入力導波路３ａが基板１上に形成されている場合を例示したが、導波路３ａが形成されていなくてもよい。
【００１４】
入力側スラブ導波路１０および出力側スラブ導波路１２は、それぞれ基板１に垂直な方向にのみ光閉じ込め作用のある２次元導波路となっている。これらのスラブ導波路に用いる材料としては、上記コアに用いたのと同様なものを用いることができる。入力側スラブ導波路１０は、入力端面１０ａ、出力端面１０ｂがそれぞれ１０ｘ、１０ｙを曲率中心とする円弧状に形成され、出力側スラブ導波路１２は、入力端面１２ｂ、出力端面１２ａがそれぞれ１２ｙ、１２ｘを曲率中心とする円弧状に形成されている。そして、これらの円弧のうち、アレイ導波路回折格子７と接続する円弧の方が弧の長さが長くなっている。ここで、スラブ導波路（１０，１２）の接続部におけるチャンネル導波路７ａ間の間隔はＤになっている。
【００１５】
出力導波路５は、出力側スラブ導波路１２の出力端面１２ａに接続しており、接続部における出力導波路５間の間隔はｘになっている。そして、中心波長光は、曲率中心１２ｙに接続された出力導波路５ａから出力される。
なお、本発明において、入力導波路とは波長多重光を伝送する導波路を、出力導波路とは波長多重光を分波して得られる単一波長光を伝送する導波路をいう。また、入力導波路から出力導波路に光を伝送して分波する場合に限らず、出力導波路から単一波長光を伝送して合波を行い、得られた波長多重光を入力導波路から取り出すことも可能である。
【００１６】
次に、本発明の光合分波器について、拡大図２を参照してさらに詳細に説明する。
図２において、補正用入力導波路３ｂは、入力導波路３ａに対して所定の距離Ｒ離れた入力端面１０ａ上の位置Ｖの延長線上に配置され、導波路３ｂの出力端面３ｓは入力端面１０ａと所定の距離Ｇだけ離間している。出力端面３ｓと入力端面１０ａの間にはクラッド層が充填されている。出力端面３ｓは光軸に対して傾くようにその光軸に垂直な平面Ｗと所定の角度θ１（但、０°＜θ＜９０°）をなして形成され、導波路３ｂの右側（導波路３ａ側）の側面の長さは左側の側面の長さより長くなっている。なお、Ｒの値は分波する波長間隔Δλに対応して、適宜設定されている。
【００１７】
そして、補正用入力導波路３ｂを伝送した信号光（中心波長λＭ）２０は、入射角θ１でクラッド層へ入射し、屈折角θ２でクラッド層内を導波した後、入力端面１０ａ上の点Ｕに入射角φ２で入射して入力スラブ導波路１０内を導波する。このとき、入力スラブ導波路１０への入射位置Ｕは、位置Ｖより距離ΔＲだけ入力導波路３ａ側にあり、
ΔＲ＝Ｇ×ｔａｎφ２＝Ｇ×ｔａｎ（θ２−θ１）                …（３）
で表される。ここで、θ２＝ｓｉｎ−１｛（ｎ１／ｎ２）×ｓｉｎθ１｝、ｎ１：導波路３ｂの屈折率、ｎ２：クラッド層の屈折率である。
【００１８】
すなわちΔＲの値は、出力端面３ｓのなす角θ１、屈折率ｎ１、ｎ２、及び距離Ｇによって決められ、これらの値を適宜変えることによって、ΔＲの値が連続的に変化する。
この導波路を用いたときの、中心波長のずれとその補正を行う方法を図３に基づいて説明する。
【００１９】
図３において、中心波長のずれが生じた場合、中心波長光は出力側スラブ導波路１２の曲率中心Ｏより右側の位置Ｔにずれて集光される。このときの中心波長のずれ量をδλｏとする。次に、入力導波路３ｂを用い、入力側スラブ導波路１０の入力端面１０ａ上にあって曲率中心１０ｙより左側の位置Ｕに光を入射し、中心波長のずれを補正することを考える。１０ｙ−Ｕ間の距離をｗとし、位置Ｕに光を入射したときに出力光の波長に加えられる補正量をδλｉとすると、（２）式と同様にして、
ｗ／δλｉ＝（ｆｉΔＬ）／（ｎｓＤλＭ）×（ｎｃ−λＭｄｎｃ／ｄλ）      …（４）
の関係式が成立する。ここで、ｆｉ：入力側スラブ導波路の曲率半径である。このとき、
ｗ＝Ｒ−ΔＲ                                                …（５）
であるので、（４）式は、
（Ｒ−ΔＲ）／δλｉ＝（ｆｉΔＬ）／（ｎｓＤλＭ）×（ｎｃ−λＭｄｎｃ／ｄλ）  …（６）
で表される。従って、
δλｉ＝δλｏ                                                                                              …（７）
となるように、（６）式におけるΔＲの値を連続的に変えることによって、中心波長のずれδλｏを実質的に打ち消すことが可能となる。
【００２０】
次に、中心波長のずれを補正する具体的な手順について説明する。
図３において、まず、この合分波器の基準入力導波路３ａにあらかじめ信号光２０を入射させ、中心波長のずれδλｏの大きさを見積もっておく。このとき、信号光２０は、入力側スラブ導波路１０内を回折して複数のチャンネル導波路７ａに等位相（等位相面２１）で入射する。ところが、チャンネル導波路７ａのコア幅や屈折率が設計値からずれていることから、波長λＭの中心波長光は出力側スラブ導波路１２の曲率中心Ｏからずれた位置Ｔに集光する。このときの等位相面２２は、曲率中心Ｏに集光した場合の等位相面２２ａに対して図示左回りに角度α傾き、出力導波路５ａからは、当初の設計値からδλｏずれた波長（λＭ＋δλｏ）の光が出力される。
【００２１】
次に、あらかじめ角度θ１、屈折率ｎ１、ｎ２、及び距離Ｇをそれぞれ変えて作製した複数の補正用入力導波路３ｂにそれぞれ信号光を入射し、出力導波路５ａから出射される中心波長光の設計値からのずれ量を測定し、最もずれ量が少ない入力導波路３ｂを選定する。ここで、入力導波路３ｂを複数形成させるのは、中心波長のずれ量がδλｏの前後に多少変動しても、この変動に合わせて補正を行うようにするためである。
【００２２】
このとき、信号光は入力側スラブ導波路１０の位置Ｕに入射し、その等位相面２１ａは等位相面２１に対して図示右回りに角度α傾いている。そして、上述したように、補正量δλｉはずれ量δλｏと符号が異なり、大きさが実質的に等しい値をとるため、ずれδλｏが打ち消され、出力導波路５ａから中心波長λＭの光が出力されることになる。この場合、各入力導波路３ｂは、角度θ１、屈折率ｎ１、ｎ２、及び距離Ｇがそれぞれ少しずつ異なっているため、ΔＲ、及び補正量δλｉもそれぞれ少しずつ異なり、いずれかの入力導波路３ｂを選定すれば、（６）式によって、ずれδλｏを丁度打ち消す補正量δλｉを生じさせることができる。
【００２３】
なお、本発明の実施の態様においては、導波路３ｂの右側（導波路３ａ側）の側面の長さが左側の側面の長さより長くなるように出力端面３ｓがその光軸に垂直な平面Ｗと所定の角度をなして形成されているが、導波路３ｂの右側（導波路３ａ側）の側面の長さが左側の側面の長さより短くてもよい。要は、出力端面３ｓがその光軸に垂直な平面Ｗと角度をなしていればよい。
【００２４】
【実施例】
シリコン基板１上に、石英系ガラスを用いて、入力導波路３ａ、複数の補正用入力導波路３ｂ、入力側スラブ導波路１０、複数のチャンネル導波路７ａから成るアレイ導波路回折格子７、出力側スラブ導波路１２、及び複数の出力導波路５を形成して、図１に示すアレイ導波路回折格子型光合分波器を作製した。なお、基準入力導波路３ａは入力側スラブ導波路１０の入力端面１０ａに接続し、補正用入力導波路３ｂは入力端面１０ａと離間配置されている。
【００２５】
隣接するチャンネル導波路７ａ間の導波路長差を６５μｍ、導波路間の間隔を１５μｍとし、スラブ導波路１０及び１２の曲率半径を９ｍｍ、隣接する出力導波路５間の間隔を２０μｍとした。
まず、この合分波器の基準入力導波路３ａに波長１５５１．３２ｎｍの光を入射したところ、出力導波路５ａから出力される光の中心波長は設定値より０．０４ｎｍずれたものとなった。
【００２６】
次に、中心波長のずれを打ち消すようなスラブ導波路１０への光の入射位置を求めるため、補正用入力導波路３ｂのそれぞれに光を入射して同様な評価を行った。各補正用入力導波路３ｂは等間隔で配置させ、その出力端面が該導波路の光軸に垂直な平面となす角θを１０°〜８０°の範囲で変えた。また、出力端面と入力端面１０ａとの間の距離を１００μｍとした。
【００２７】
そして、各補正用入力導波路３ｂに信号光を入射したときに出力導波路５ａから出力される中心波長光の波長を測定したところ、入力側スラブ導波路１０の曲率中心１０ｙから距離１μｍ離れた位置に光を入射した場合に、中心波長のずれが０．００ｎｍと最も小さくなった。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、複数の補正用入力導波路の出力端面と入力側スラブ導波路の入力端面との距離や、出力端面がその光軸に垂直な平面となす角θが少しずつ異なり、入力側スラブ導波路への光の入射位置の間隔、すなわち入力側の等位相面の傾きを小さく設定することができる。
【００２９】
その結果、中心波長のずれ量がどのような値であっても、いずれかの補正用入力導波路を選定すれば、そのずれ量を丁度打ち消す補正を行って、中心波長のずれを大幅に低減し、実質的に０にすることができるので、従来のアレイ導波路回折格子型光合分波器に比べて、合分波器の損失特性の向上や製品の歩留り向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器の基本構成例を示す模式図である。
【図２】本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器の入力導波路近傍での光の進行を示す部分拡大図である。
【図３】本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器による中心波長のずれ補正の原理を示す図である。
【図４】従来のアレイ導波路回折格子型光合分波器を示す模式図である。
【符号の説明】
１              基板
３ａ            基準入力導波路
３ｂ            補正用入力導波路
３ｓ            補正用入力導波路の出力端面
５              出力導波路
７              アレイ導波路回折格子
７ａ            チャンネル導波路
１０            入力側スラブ導波路
１０ａ          入力側スラブ導波路の入力端面
１０ｂ          入力側スラブ導波路の出力端面
１０ｘ、１０ｙ  入力側スラブ導波路の曲率中心
１２            出力側スラブ導波路
１２ａ          出力側スラブ導波路の出力端面
１２ｂ          出力側スラブ導波路の入力端面
１２ｘ、１２ｙ  出力側スラブ導波路の曲率中心
２０            信号光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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