(57)【要約】【課題】  単一の光回路要素で、異なる機能を実現し、かつ小型で高性能な光回路を提供する。【解決手段】  基板１０上に形成された少なくとも１本の入力光導波路１１と、基板１０上に形成された少なくとも１本の出力光導波路１３と、入力光導波路１１と出力光導波路１３との間に、光信号の伝搬方向に沿って２本以上の光導波路が並行して配設されたアレイ導波路１２とを備え、アレイ導波路１２を構成する光導波路の本数は、入力光導波路１１の本数および出力光導波路１３の本数のいずれよりも大きく、アレイ導波路１２を構成する光導波路の少なくともいずれか１本は、光導波路の幅が非周期的に変調されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された少なくとも１本の入力光導波路と、
前記基板上に形成された少なくとも１本の出力光導波路と、
前記入力光導波路と前記出力光導波路との間に、光信号の伝搬方向に沿って２本以上の光導波路が並行して配設されたアレイ導波路とを備え、
前記アレイ導波路を構成する光導波路の本数は、前記入力光導波路の本数および前記出力光導波路の本数のいずれよりも大きく、
前記アレイ導波路を構成する光導波路の少なくともいずれか１本は、光導波路の幅が非周期的に変調されていることを特徴とする光回路。
【請求項２】
前記アレイ導波路を構成する光導波路は、前記入力光導波路から入力された、複数の異なる波長の光信号を、波長に応じて分波して異なる出力光導波路から出力し、波長に応じて異なる出力光導波路から入力された光信号を合波して、前記入力光導波路から出力するように、光導波路の幅が非周期的に変調されていることを特徴とする請求項１に記載の光回路。
【請求項３】
前記アレイ導波路を構成する光導波路は、光導波路幅の最小値が１μｍであり、前記光導波路の隣り合う間隔が１μｍ以上であることを特徴とする請求項１および２に記載の光回路。
【請求項４】
前記アレイ導波路を構成する光導波路は、光信号の伝搬方向１μｍあたり、光導波路幅の変化量が、最大±０．１μｍであることを特徴とする請求項１、２および３に記載の光回路。
【請求項５】
前記基板は、シリコン基板と石英基板のいずれかであり、前記光導波路が石英ガラスからなる埋め込み型光導波路であることを特徴とする請求項１に記載の光回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光回路に関し、より詳細には、基板上に形成された小型で高性能な光回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムの急速な普及に伴い、光信号を分岐したり光路を切り替えるための光回路、複数の異なる波長の光信号を合分波するための光回路の重要性が増している。このような光回路には、小型かつ高性能であることが求められている。このような背景において、光導波路構造を利用した集積光部品が開発されている。光の波動としての性質を利用した集積光部品は、光導波路長の調整により光干渉計の作製を容易にしたり、半導体分野における回路加工技術を適用することにより、光部品の集積化が容易になる。
【０００３】
図１に、従来のアレイ導波路格子フィルタの構成を示す。アレイ導波路格子フィルタは、複数の異なる波長の光信号を合分波するため光回路である（例えば、非特許文献１参照）。入力光導波路１０１に接続されたスラブ光導波路１０２と、出力光導波路１０５に接続されたスラブ光導波路１０４との間をアレイ導波路１０３で接続している。アレイ導波路１０３の各々の導波路は、隣接する導波路の光学的な長さが、内側から外側に向かって等しい大きさだけ増加するように設定されている。
【０００４】
入力光導波路１０１に入力された光信号は、スラブ光導波路１０２により光路が広げられて、各々のアレイ導波路１０３へと導かれる。アレイ導波路１０３の光路長差により、スラブ光導波路１０４で合成される光信号の波面は、波長に応じて傾きを有する。その結果、波長に応じて異なる出力光導波路１０４へと出力することになり、波長分波器が実現される。
【０００５】
【非特許文献１】K. Okamoto, “Fundamentals of optical waveguides,” Academic Press, 2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら従来の光回路は、スラブ光導波路、アレイ導波路などの個別の光回路要素を組み合わせて構成していたので、小型化が難しいという問題があった。また、光回路要素を複合的に組み合わせて大規模な光回路システムを構成する場合には、光回路要素の特性に合わせて詳細なレイアウト設計を行う必要があるため、設計工数が増大するという問題もあった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、複数の光回路構成を組み合わせることなく、単一の光回路要素で、異なる機能を実現し、かつ小型で高性能な光回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板上に形成された少なくとも１本の入力光導波路と、前記基板上に形成された少なくとも１本の出力光導波路と、前記入力光導波路と前記出力光導波路との間に、光信号の伝搬方向に沿って２本以上の光導波路が並行して配設されたアレイ導波路とを備え、前記アレイ導波路を構成する光導波路の本数は、前記入力光導波路の本数および前記出力光導波路の本数のいずれよりも大きく、前記アレイ導波路を構成する光導波路の少なくともいずれか１本は、光導波路の幅が非周期的に変調されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記アレイ導波路を構成する光導波路は、前記入力光導波路から入力された、複数の異なる波長の光信号を、波長に応じて分波して異なる出力光導波路から出力し、波長に応じて異なる出力光導波路から入力された光信号を合波して、前記入力光導波路から出力するように、光導波路の幅が非周期的に変調されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１および２に記載の前記アレイ導波路を構成する光導波路は、光導波路幅の最小値が１μｍであり、前記光導波路の隣り合う間隔が１μｍ以上であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１、２および３に記載の前記アレイ導波路を構成する光導波路は、光信号の伝搬方向１μｍあたり、光導波路幅の変化量が、最大±０．１μｍであることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の前記基板は、シリコン基板と石英基板のいずれかであり、前記光導波路が石英ガラスからなる埋め込み型光導波路であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、アレイ導波路を構成する光導波路の幅を、用途に応じて非周期的に変調することにより、単一の光回路要素で、異なる機能を実現し、小型で高性能な光回路を実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本実施形態において、同一機能を有する部分には同一符号を付し、その重複説明は省略する。
【００１５】
また、本実施形態において、光回路は、シリコン基板または石英基板の上に形成された石英系光導波路である。このような組み合わせにより、信頼性に優れた光回路を提供することができるからである。しかしながら、本発明は、このような組み合わせに限定されるものではなく、ポリマーなどの基板材料を用いたり、誘電体、半導体などの他の導波路材料を用いても勿論構わない。
【００１６】
図２に、本発明の第１の実施形態にかかる光回路の構成を示す。基板１０上に、入力光導波路１１と、アレイ導波路１２と、出力光導波路１３とが、この順に光学的に接続されている。アレイ導波路１２は、２１本の光導波路から構成されており、各々の光導波路の幅は非周期的に変調されている。すなわち、光の導波方向に沿って、光導波路の幅が非周期的に変化している。各々の光導波路の幅の非周期的な変調は、波面整合法あるいは遺伝的アルゴリズムによって設計することができる。
【００１７】
例えば、波面整合法で設計する場合には、入力光導波路１１が接続されているアレイ導波路１２の入力端から入力フィールドを入力して順伝搬させる。一方、出力光導波路１３が接続されているアレイ導波路１２の出力端から、所望の出力フィールドを入力して逆伝搬させる。入力端および出力端から入力された２つのフィールドの波面が、アレイ導波路１２中の任意の点で一致するように、アレイ導波路１２の各々の光導波路の幅を変化させる。
【００１８】
一方、遺伝的アルゴリズムで設計する場合には、最初に、初期値となるアレイ導波路１２を与える。次に、アレイ導波路１２の屈折率分布の少なくとも一部を微小に変化させた第１世代のアレイ導波路を作成する。第１世代のアレイ導波路の中から、特性の優れたアレイ導波路を選び出して配合することにより、第２世代のアレイ導波路を作成する。同様にして何世代かにわたって配合を繰り返し、入力から出力に至る所与の特性が得られるアレイ導波路を作成する。
【００１９】
アレイ導波路１２の各々の光導波路の幅を、非周期的に変調することにより、隣り合う光導波路が十分に結合して、大きな波長依存性を有する。従って、入力光導波路１１から、複数の異なる波長の光信号を入力すると、各波長の光信号は、アレイ導波路１２中を伝搬して各々異なる出力光導波路１３から出力される。
【００２０】
ここで、アレイ光導波路１２の光導波路幅の非周期的な変調は、光の伝搬方向（図２では、紙面に向かって横方向）１μｍに対して、光の伝搬方向に垂直な方向（紙面に向かって縦方向）への変化幅は、最大±０．１μｍである。これは、急激な光導波路幅の変調を禁止することで、波長依存性が滑らかとなり、再現性の優れた光回路を提供することができるからである。しかしながら、本発明は、この例に限定されるものではなく、より急峻な光導波路幅の変動があっても勿論構わない。
【００２１】
また、アレイ導波路１２の光導波路幅は、最小１μｍである。このような条件とすることで作製の容易な光回路を実現することができるからである。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、光導波路幅の最小値は、０．１μｍであっても勿論構わない。また、アレイ導波路１２の光導波路幅の最大値は３μｍである。しかしながら、この値は、２０μｍでも勿論構わない。
【００２２】
また、アレイ導波路１２の隣り合う光導波路の間隔は最小１μｍである。このような条件とすることで作製の容易な光回路を実現することができるからである。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、隣り合う光導波路は、最小０．５μｍであっても勿論構わない。一方、アレイ導波路１２の隣り合う光導波路の間隔は最大３μｍである。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、最大２０μｍとしても勿論構わない。但し、隣り合う光導波路が十分に結合して、大きな波長依存性を実現するためには、最大１０μｍ程度であることが望ましい。
【００２３】
第１の実施形態の光回路は、シリコン基板上に形成された石英系光導波路によって作製する。ただし、本発明はこの例に限定されるものではなく、石英基板上に形成してもよく、石英系光導波路ではなく誘電体光導波路であってもポリマー光導波路であっても勿論構わない。
【００２４】
図３に、本発明の第１の実施形態にかかる光回路の断面図を示す。基板１０上に、下部クラッド２１を火炎堆積法により堆積し、下部クラッド２１上にコア層を火炎堆積法により堆積して透明化を行う。コア層の上に、図２に示したアレイ光導波路１２となるようにマスクを形成し、コア層を反応性イオンエッチングによりパターン化を行い、コア２２を形成する。最後に、下部クラッド２１とコア２２とを覆うように、上部クラッド２３を火炎堆積法により堆積して透明化を行う。下部クラッド２１および上部クラッド２３の屈折率は１．４４４３であり、コア２２の屈折率は１．４５５２である。
【００２５】
基板１０はシリコン基板であり、下部クラッド２１、コア２２、上部クラッド２３は石英系光導波路として構成されている。石英系光導波路により、信頼性に優れた光回路を提供することができる。なお、本発明はこの例に限定されるものではなく、誘電体や半導体など、別の材料を用いても勿論構わないし、上部クラッドのないリッジ型の光導波路構成を用いても勿論構わない。
【００２６】
図４に、本発明の第１の実施形態にかかる光回路の透過率を示す。１．５５μｍ帯に含まれる異なる４つの波長が合波された光信号を、入力光導波路１１からアレイ導波路１２に入力する。波長１．５２μｍの光信号が出力光導波路１３ａから出力され、波長１．５４μｍの光信号が出力光導波路１３ｂから出力され、波長１．５６μｍの光信号が出力光導波路１３ｃから出力され、波長１．５８μｍの光信号が出力光導波路１３ｄから出力されていることがわかる。このようにして、第１の実施形態にかかる光回路を用いれば、任意の波長を選択して、任意の出力光導波路から出力させることができる。
【００２７】
図５に、本発明の第１の実施形態にかかる光回路の変形例を示す。図３に示したアレイ導波路１２は矩形であるが、図５に示すように多角形の形状を有するアレイ導波路１４としてもよい。また、矩形であっても、異なる長さ、幅により光回路を構成することもできる。
【００２８】
図６に、本発明の第２の実施形態にかかる光回路の構成を示す。基板１０上に、入力光導波路１１と、アレイ導波路１５と、出力光導波路１３とが、この順に光学的に接続されている。アレイ導波路１５は、９本の光導波路から構成されており、各々の光導波路の幅は非周期的に変調されている。各々の光導波路の幅の非周期的な変調は、第１の実施形態と同様に、波面整合法あるいは遺伝的アルゴリズムによって設計することができる。
【００２９】
第２の実施形態の光回路は、石英基板上に形成された石英系光導波路によって作製する。ただし、本発明はこの例に限定されるものではなく、シリコン基板上に形成しても良いし、石英系光導波路ではなく誘電体光導波路であってもポリマー光導波路であっても勿論構わない。
【００３０】
図７に、本発明の第２の実施形態にかかる光回路の透過率を示す。入力光導波路１１に入力された光信号のうち、９０％が出力光導波路１３ｂから出力され、１０％が出力光導波路１３ａから出力され、分岐回路を構成していることがわかる。このように、第２の実施形態の光回路を用いれば、波長依存性のある光回路だけでなく、波長依存性の小さな光回路を提供することもできる。すなわち、第１の実施形態と同様に、アレイ導波路を構成する光導波路の幅を、用途に応じて非周期的に変調することにより、様々な機能を有する光回路を単一の光回路要素で実現することができる。
【００３１】
図８に、本発明の第２の実施形態にかかる光回路の第１変形例を示す。第２の実施形態の第１変形例の光回路では、アレイ導波路１６が７本の光導波路から構成されており、そのうち１本の導波路１６ａは、導波路の幅が変調されていない。このような構成であっても、導波路１６ａと隣接する光導波路の幅が、非周期的に変調されていることにより、導波路１６ａと隣接する光導波路とが結合することができる。従って、図６に示した光回路と同様に、波長依存性の小さな分岐回路を構成することができる。
【００３２】
図９に、本発明の第２の実施形態にかかる光回路の第２変形例を示す。第２変形例の光回路では、アレイ導波路１８が３本の光導波路から構成されており、そのうち１本の導波路１８ａのみが非周期的に変調されている。このような構成であっても、導波路１８ａの幅が、非周期的に変調されていることにより、導波路１８ａと隣接する光導波路とが結合することができる。従って、図６に示した光回路と同様に、波長依存性の小さな分岐回路を構成することができる。
【００３３】
図１０に、本発明の第３の実施形態にかかる光回路の構成を示す。基板１０上に、２本の入力光導波路１１と、アレイ導波路１７と、２本の出力光導波路１３とが、この順に光学的に接続されている。アレイ導波路１７は、１７本の光導波路から構成されており、各々の光導波路の幅は非周期的に変調されている。このような構成も本発明の範疇であり、同様な効果を奏する。各々の光導波路の幅の非周期的な変調は、第１の実施形態と同様に、波面整合法あるいは遺伝的アルゴリズムによって設計することができる。
【００３４】
図１１に、本発明の第３の実施形態にかかる光回路の断面図を示す。基板１０上に、下部クラッド２１を火炎堆積法により堆積し、下部クラッド２１上にコア層を火炎堆積法により堆積して透明化を行う。コア層の上に、図１０に示したアレイ光導波路１７となるようにマスクを形成し、コア層を反応性イオンエッチングによりパターン化を行い、コア２２を形成する。次に、コア２２と同じ高さまで、第二コア２４を堆積して透明化を行う。最後に、コア２２と第二コア２４とを覆うように、上部クラッド２３を火炎堆積法により堆積して透明化を行う。
【００３５】
下部クラッド２１および上部クラッド２３の屈折率は１．４４４３であり、コア２２の屈折率は１．４５５２であり、第二コア２４の屈折率は１．４４９１である。第二コア２４を設けることで、散乱光を低減することができ、光回路の透過損失の劣化を防ぐことができる。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、第二コア２４を除いた構成でも勿論構わない。
【００３６】
図１２に、本発明の第３の実施形態にかかる光回路の透過率を示す。入力光導波路１１のうち一方の光導波路に入力された光信号のうち、波長１．５２μｍおよび波長１．５８μｍの光信号が出力光導波路１３ａから出力され、波長１．５４μｍおよび波長１．５６μｍの光信号が出力光導波路１３ｂから出力されていることがわかる。このようにして、第３の実施形態にかかる光回路を用いれば、任意の複数の波長を選択して、それぞれ任意の出力光導波路から出力させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
種々の特性を有する小型で高性能な光回路を構成することができる。特に、複数の波長の光信号を合分波するための光フィルタ、波長依依存性のない分岐回路に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来のアレイ導波路格子フィルタの構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかる光回路の構成を示す上面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる光回路を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかる光回路の透過率を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態にかかる光回路の変形例を示す上面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる光回路の構成を示す上面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態にかかる光回路の透過率を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態にかかる光回路の第１変形例を示す上面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態にかかる光回路の第２変形例を示す上面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態にかかる光回路の構成を示す上面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態にかかる光回路を示す断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態にかかる光回路の透過率を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１００，１０  基板
１０１，１１  入力光導波路
１０２，１０４  スラブ光導波路
１０３，１２〜１８  アレイ導波路
１０５，１３  出力光導波路
【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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