(57)【要約】【課題】  複数の光回路要素を組み合わせることなく、単一の光回路要素で、所望の光学的機能を実現し、かつ小型で高性能な光回路を提供する。【解決手段】  光回路は、基板上に形成された少なくとも１本の入力光導波路と、少なくとも１本の出力光導波路とを有し、入力光導波路と出力光導波路の間に、光伝搬方向に配列した複数の光導波路からなる光導波路アレイと、光導波路アレイに実質的に直交して配列された櫛状の複数のスラブ光導波路とを有し、かつ光導波路アレイの各光導波路の幅およびスラブ光導波路の幅が導波路長手方向に沿って変調されている。【選択図】  図１
2006350115.tif 000002
【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、少なくとも１本の出力光導波路とを有し、
前記入力光導波路と前記出力光導波路の間に、光伝搬方向に配列した複数の光導波路からなる光導波路アレイと、該光導波路アレイに実質的に直交して配列された櫛状の複数のスラブ光導波路とを有し、
前記光導波路アレイの各光導波路の幅および前記スラブ光導波路の幅が導波路長手方向に沿って変調されていることを特徴とする光回路。
【請求項２】
前記光導波路アレイの各光導波路の幅および前記スラブ光導波路の幅の変化量が、光伝搬方向の単位長さ（１μｍ）当たり±８．０μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の光回路。
【請求項３】
前記光導波路アレイに実質的に直交して配列された前記複数のスラブ光導波路において、隣接するスラブ光導波路の間隔が１．０μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の光回路。
【請求項４】
前記光導波路アレイの各光導波路は、光導波路が部分的に消失する箇所を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光回路。
【請求項５】
前記基板はシリコン基板であり、前記光導波路は石英系ガラス光導波路であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光回路。
【請求項６】
前記光回路は、入力ポートからの入射光を所望の出力ポートに集光させて所望の出射光とする、波長分波器、光タップ回路、または光スプリッタのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光回路。
【請求項７】
基板上に構成されたコアおよびクラッドからなる光導波路を含み、入力ポートからの入射光を所望の出力ポートに集光させて所望の出射光とする光回路の製造方法であって、
基板上に下部クラッド層を形成する第１工程と、
前記下部クラッド層上に前記クラッド層より高い屈折率を有するコア層を形成する第２工程と、
前記コア層からパターン化されたコア部を形成する第３工程と、
前記下部クラッド層および前記コア部の上に上部クラッド層を形成する第４工程とを有し、
前記第３工程において、前記パターン化されたコア部が、前記基板上に形成された少なくとも１本の入力光導波路と、少なくとも１本の出力光導波路を構成し、前記入力光導波路と前記出力光導波路の間に、光伝搬方向に配列した複数の光導波路からなる光導波路アレイと、該光導波路アレイに実質的に直交して配列された櫛状の複数のスラブ光導波路とを構成し、前記光導波路アレイの各光導波路の幅および前記スラブ光導波路の幅が導波路長手方向に沿って変調されていることを特徴とする光回路の製造方法。
【請求項８】
前記パターン化されたコア部を予め設計する工程をさらに含み、該設計工程は、
前記光回路を構成する初期屈折率分布を仮定した光回路媒体中において、前記入射光のフィールド分布１と、前記出射光を前記出力ポートより仮想的に逆伝搬させた光のフィールド分布２を求める第１のステップと、
前記光回路媒体中の各点において前記フィールド分布１と前記フィールド分布２との位相差が小さくなるように前記光導波路アレイの各光導波路の幅および前記スラブ光導波路の幅を変化させる第２のステップと、
前記出力ポート位置において、前記フィールド分布１と前記フィールド分布２とが所望の誤差以下となるまで、前記第１のステップと前記第２のステップを繰り返して前記光導波路アレイの各光導波路の幅および前記スラブ光導波路の幅を逐次求める第３のステップとを含むことを特徴とする請求項７に記載の光回路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に構成されたコアおよびクラッドからなる光導波路を含み、入力ポートからの入射光を所望の出力ポートに集光させて所望の出射光とする光回路、およびその光回路の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムの適用領域拡大、更なる大容量化、高速化に伴い、信号光の分岐やスイッチングを行う光回路、波長の異なる複数の信号光を合分波する光回路の重要性が増している。このような光回路は、小型かつ高性能であることが求められている。
【０００３】
このような光回路の一例として従来のアレイ導波路格子フィルタの構成例を図８に示す。アレイ導波路格子フィルタは、複数の異なる波長の信号光を合分波するための光回路である（例えば、非特許文献１参照）。図８に示すアレイ導波路格子フィルタは、複数本の入力光導波路８１に接続された１つのスラブ光導波路８２と、複数本の出力光導波路８５に接続された１つのスラブ光導波路８４との間を複数本のアレイ導波路８３で接続した構成となっている。アレイ導波路８３の各々の導波路は、その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所定の等しい大きさだけ順次増加するように設定されている。
【０００４】
入力光導波路８１に入力された信号光は、スラブ光導波路８２により光路が広げられて、アレイ導波路８３の各々の導波路へと導かれる。アレイ導波路８３の光路長差により、スラブ光導波路８４で合成される信号光の波面は、波長に応じて傾きを有する。その結果、信号光はその波長に応じて出力光導波路８５の異なる導波路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】Katsunari Okamoto,“Fundamentals of Optical Waveguides”2000年  Academic Press(Figure 9.8)
【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、従来の上述のような光回路は、スラブ光導波路、アレイ光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、設計工程が増大して複雑になるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述のような点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、複数の光回路要素を組み合わせることなく、単一の光回路要素で、所望の光学的機能を実現し、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】
上記目的を達成するための、本発明の請求項１に記載の光回路は、基板上に形成された少なくとも１本の入力光導波路と、少なくとも１本の出力光導波路とを有し、前記入力光導波路と前記出力光導波路の間に、光伝搬方向に配列した複数の光導波路からなる光導波路アレイと、該光導波路アレイに実質的に直交して配列された櫛状の複数のスラブ光導波路とを有し、前記光導波路アレイの各光導波路の幅および前記スラブ光導波路の幅が導波路長手方向に沿って変調されていることを特徴としている。このような構成とすることで、本発明は、単一の光回路要素で、所望の光学的機能を実現し、小型で高性能な光回路を提供することができる。
【０００９】
本発明の請求項２の光回路は、請求項１の構成において、前記光導波路アレイの各光導波路の幅および前記スラブ光導波路の幅の変化量が、光伝搬方向の単位長さ（１μｍ）当たり±８．０μｍの範囲内であることを特徴としている。
【００１０】
本発明の請求項３の光回路は、請求項１または２の構成の前記光導波路アレイに実質的に直交して配列された前記複数のスラブ光導波路において、隣接するスラブ光導波路の間隔が１．０μｍ以上であることを特徴としている。このような構成とすることで、本発明は、既存の光回路作製プロセスで作製することが可能で、単一の光回路要素で構成される小型で高性能な光回路を提供することができる。
【００１１】
本発明の請求項４の光回路は、請求項１乃至３の構成において、前記光導波路アレイの各光導波路は、光導波路が部分的に消失する箇所を含むことを特徴としている。このような構成とすることで、本発明は、単一の光回路要素で、所望の光学的機能を実現し、小型で高性能な光回路を提供することができる。
【００１２】
本発明の請求項５の光回路は、請求項１乃至４の構成において、前記基板はシリコン基板であり、前記光導波路は石英系ガラス光導波路であることを特徴としている。このような構成とすることで、本発明は、安定で加工性に優れた光回路を提供することができる。
【００１３】
本発明の請求項６の光回路は、請求項１乃至５の構成において、前記光回路は、入力ポートからの入射光を所望の出力ポートに集光させて所望の出射光とする、波長分波器、光タップ回路、または光スプリッタのいずれかであることを特徴としている。
【００１４】
本発明の請求項７に記載の光回路の製造方法は、基板上に構成されたコアおよびクラッドからなる光導波路を含み、入力ポートからの入射光を所望の出力ポートに集光させて所望の出射光とする光回路の製造方法であって、基板上に下部クラッド層を形成する第１工程と、前記下部クラッド層上に前記クラッド層より高い屈折率を有するコア層を形成する第２工程と、前記コア層からパターン化されたコア部を形成する第３工程と、前記下部クラッド層および前記コア部の上に上部クラッド層を形成する第４工程とを有し、前記第３工程において、前記パターン化されたコア部が、前記基板上に形成された少なくとも１本の入力光導波路と、少なくとも１本の出力光導波路を構成し、前記入力光導波路と前記出力光導波路の間に、光伝搬方向に配列した複数の光導波路からなる光導波路アレイと、該光導波路アレイに実質的に直交して配列された櫛状の複数のスラブ光導波路とを構成し、前記光導波路アレイの各光導波路の幅および前記スラブ光導波路の幅が導波路長手方向に沿って変調されていることを特徴としている。
【００１５】
本発明の請求項８の光回路の製造方法は、請求項７の構成において、前記パターン化されたコア部を予め設計する工程をさらに含み、該設計工程は、前記光回路を構成する初期屈折率分布を仮定した光回路媒体中において、前記入射光のフィールド分布１と、前記出射光を前記出力ポートより仮想的に逆伝搬させた光のフィールド分布２を求める第１のステップと、前記光回路媒体中の各点において前記フィールド分布１と前記フィールド分布２との位相差が小さくなるように前記光導波路アレイの各光導波路の幅および前記スラブ光導波路の幅を変化させる第２のステップと、前記出力ポート位置において、前記フィールド分布１と前記フィールド分布２とが所望の誤差以下となるまで、前記第１のステップと前記第２のステップを繰り返して前記光導波路アレイの各光導波路の幅および前記スラブ光導波路の幅を逐次求める第３のステップとを含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
以上の構成により、本発明によれば、単一の光回路要素で、所望の光学的機能を実現し、かつ小型で高性能な光回路を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、本発明の各実施形態において、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。また、以下の本発明の各実施形態では光回路はシリコン基板上に形成された石英系ガラス光導波路であるとした。これは、このような組み合わせにすることにより、安定で加工性に優れた光回路を提供できるからである。しかしながら、本発明はこの組み合わせに限定されるものではなく、基板として石英基板、サファイア基板、ポリマー基板などを、また基板上に形成するコアおよびクラッドとして半導体、誘電体、ポリマーなどの材料を用いても勿論構わない。以下の本発明の実施形態では、コアはクラッドに埋設された例を示しているが、リッジ（ridge）形状のコアであっても本発明の効果を充分に得ることができる。
【００１８】
(第１の実施形態)
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる光回路を、基板に対して垂直上方向から見た平面図である。本図中のｚ軸は信号光の伝搬方向を示している。ここで、第１の実施形態は波長分波器としたが、これは本発明にかかる光回路が、波長分波器など従来では複数の光回路要素の組み合わせで構成する必要があった光回路を、単一の光回路要素で実現するのに優れているからである。しかしながら、本発明にかかる光回路は、本実施形態に限定されるものではなく、スポットサイズ変換器など他の機能を有する光回路としても構成することができる。
【００１９】
図１に示すように、第１の実施形態にかかる光回路は、基板１０上に、１本の入力光導波路１１と、光伝搬方向に配列した複数の光導波路からなる光導波路アレイ１２と、２本の出力光導波路１４ａ，１４ｂとが、この順に光学的に接続され、上記光導波路アレイ１２に実質的に直交して配列された櫛状の複数のスラブ光導波路１３が配置されている。
【００２０】
以下、図１に示す光導波路アレイ１２の各光導波路およびスラブ光導波路１３の設計について説明する。光導波路アレイ１２の各光導波路の幅および各スラブ光導波路１３の幅は、波動伝達媒体の基本概念を適用して決定する。ここでは、光回路へ適用することから、波動伝達媒体中を伝搬する「波動」は「光」である。波動伝達媒体にかかる理論は、一般の波動方程式に基づいて媒質の特性を指定するものであり、一般の波動においても原理的に成り立ち得るものである。
【００２１】
光導波路アレイ１２の各光導波路および各スラブ光導波路１３の設計を説明するためには記号を用いるほうが見通しが良いので、各量を表すために以下のような記号を用いることとする。尚、対象とされる光（フィールド）は、単一状態の光には限定されないので、複数の状態の光が重畳された光を対象とされ得るべく、個々の状態の光にインデックスｊを充てて一般的に表記する。以下の説明において、光の伝搬方向の座標軸をｚ軸（ｚ＝０が入射面、ｚ＝ｚｅが出射面）、光の伝搬方向に対する横方向（直角方向）の座標軸をｘ軸とする。
・Ψｊ（ｘ）：ｊ番目の入射フィールド（複素ベクトル値関数であり、入射面において設定する強度分布および位相の分布、ならびに、波長及び偏波により規定される。）
・Φｊ（ｘ）：ｊ番目の出射フィールド（複素ベクトル値関数であり、出射面において設定する強度分布および位相の分布、ならびに、波長及び偏波により規定される。）
【００２２】
ここで、「フィールド」とは、一般に電位場（電磁界）または電磁場のベクトルポテンシャル場を意味している。尚、Ψｊ（ｘ）及びΦｊ（ｘ）は、光回路中で強度増幅、波長変換、偏波変換が行われない限り、光強度の総和は同じ（あるいは無視できる程度の損失）であり、それらの波長も偏波も同じである。
・｛Ψｊ（ｘ）、Φｊ（ｘ）｝：入出力ペア（入出力のフィールドの組み。）
【００２３】
｛Ψｊ（ｘ）、Φｊ（ｘ）｝は、入射面及び出射面における、強度分布及び位相分布ならびに波長及び偏波により規定される。
・｛ｎｑ｝：屈折率分布（光回路設計領域全体の値の組み。）
【００２４】
与えられた入射フィールド及び出射フィールドに対して屈折率分布を１つ与えたときに光のフィールドが決まるので、ｑ番目の繰り返し演算で与えられる屈折率全体に対するフィールドを考える必要がある。そこで、（ｚ，ｘ）を不定変数として、屈折率分布全体をｎｑ（ｚ，ｘ）と表しても良いが、場所（ｚ，ｘ）における屈折率の値ｎｑ（ｚ，ｘ）と区別するために、屈折率分布全体に対しては｛ｎｑ｝と表す。
・Ψｊ（ｚ，ｘ，｛ｎｑ｝）：ｊ番目の入射フィールドΨｊ（ｘ）を屈折率分布｛ｎｑ｝中をｚまで伝搬させたときの、場所（ｚ，ｘ）におけるフィールドの値。
・Φｊ（ｚ，ｘ，｛ｎｑ｝）：ｊ番目の出射フィールドΦｊ（ｘ）を屈折率分布｛ｎｑ｝中をｚまで逆伝搬させたときの、場所（ｚ，ｘ）におけるフィールドの値。
【００２５】
本実施形態において、光導波路アレイ１２の各光導波路の幅およびスラブ光導波路１３の幅は、すべてのｊについてΨｊ（ｚｅ，ｘ，｛ｎｑ｝）＝Φｊ（ｘ）、またはそれに近い状態となるように｛ｎｑ｝が与えられる。
【００２６】
「入力ポート」及び「出力ポート」とは、入射端面及び出射端面におけるフィールドの集中した「領域」であり、例えば、その部分に光ファイバを接続することにより、光強度をファイバに伝搬できるような領域である。ここで、フィールドの強度分布及び位相分布は、ｊ番目のものとｋ番目のものとで異なるように設計可能であるので、入射端面及び出射端面に複数のポートを設けることができる。さらに、入射フィールドと出射フィールドの組を考えた場合、その間の伝搬により発生する位相が、光の周波数によって異なるので、周波数が異なる光（すなわち波長の異なる光）については、位相を含めたフィールド形状が同じであるか、直交しているかの如何にかかわらず、異なるポートとして設定することができる。
【００２７】
ここで、電磁界は、実数ベクトル値の場で、かつ波長と偏光状態をパラメータとして有するが、その成分の値を一般的な数学的取り扱いが容易な複素数で表示し、電磁波の解を表記する。また、以下の計算においては、フィールド全体の強度は１に規格化されているものとする。ｊ番目の入射フィールドΨｊ（ｘ）及び出射フィールドΦｊ（ｘ）に対し、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとをそれぞれの場所の複素ベクトル値関数として、Ψｊ（ｚ，ｘ，｛ｎ｝）及びΦｊ（ｚ，ｘ，｛ｎ｝）と表記する。これらの関数の値は、屈折率分布｛ｎ｝により変化するため、屈折率分布｛ｎ｝がパラメータとなる。記号の定義により、Ψｊ（ｘ）＝Ψｊ（０，ｘ，｛ｎ｝）及びΦｊ（ｘ）＝Φｊ（ｚｅ，ｘ，｛ｎ｝）となる。これらの関数の値は、入射フィールドΨｊ（ｘ）、出射フィールドΦｊ（ｘ）、及び屈折率分布｛ｎ｝が与えられれば、ビーム伝搬法などの公知の手法により容易に計算することができる。
【００２８】
以下に、空間的な屈折率分布を決定するための一般的なアルゴリズムを説明する。図２に波動伝搬媒体の空間的な屈折率分布を決定するための計算手順を示す。この計算は、繰り返し実行されるので、繰り返し回数をｑで表し、（ｑ−１）番目までの計算が実行されているときのｑ番目の計算の様子が図２に図示されている。（ｑ−１）番目の計算によって得られた屈折率分布｛ｎｑ-1｝をもとに、各ｊ番目の入射フィールドの初期値Ψｊ（ｘ）についての伝搬フィールド（伝搬方向のフィールド）の値を、及び出射フィールドΦｊ（ｘ）についての逆伝搬フィールド（逆伝搬方向のフィールド）の値を数値計算により求め、その結果を各々、Ψｊ（ｚ，ｘ，｛ｎｑ-1｝）及びΦｊ（ｚ，ｘ，｛ｎｑ-1｝）と表記する（ステップＳ２）。
【００２９】
これらの結果をもとに、各場所（ｚ，ｘ）における屈折率ｎｑ（ｚ，ｘ）を、次式（１）により求める。そして、屈折率分布｛ｎｑ-1｝におけるコアとクラッドの境界において、次式（１）のＩｍ［φｊ（ｚ，ｘ，｛ｎｑ-1｝)＊・Ψｊ（ｚ，ｘ，｛ｎｑ-1｝)］の絶対値が小さくなるように光導波路アレイの書く光導波路の幅および光導波路の幅を拡大または縮小させる。（ステップＳ４）。
【００３０】
【数１】
2006350115.tif 000003
【００３１】
ここで、右辺第２項中の記号「・」は、内積演算を意味し、Ｉｍ［］は、［］内のフィールド内積演算結果の虚数部分を意味する。尚、記号「＊」は複素共役である。係数αは、ｎｑ（ｚ，ｘ）の数分の１以下の値をさらにフィールドの組の数で割った値である。Σｊは、インデックスｊについて和をとるという意味である。
【００３２】
ステップＳ２とＳ４とを繰り返し、伝搬フィールドの出射面における値Ψｊ（ｚｅ，ｘ，｛ｎ｝）と出射フィールドの初期値Φｊ（ｘ）との差の絶対値が、所望の誤差ｄｊよりも小さくなると（ステップＳ３：ＹＥＳ）計算が終了する。
【００３３】
以上の計算では、屈折率分布の初期値｛ｎ0｝は適当に設定すればよいが、この初期値｛ｎ0｝が予想される屈折率分布に近ければ、それだけ計算の収束は早くなる（ステップＳ０）。また、各ｊについてΦｊ（ｚ，ｘ，｛ｎｑ-1｝）及びΨｊ（ｚ，ｘ，｛ｎｑ-1｝）を計算するにあたっては、パラレルに計算が可能な計算機の場合は、ｊごと（すなわち、Φｊ（ｚ，ｘ，｛ｎｑ-1｝）及びΨｊ（ｚ，ｘ，｛ｎｑ-1｝）ごと）に計算すればよいので、クラスタシステム（cluster system）等を利用して計算の効率化を図ることができる（ステップＳ２）。
【００３４】
また、比較的少ないメモリで計算機が構成されている場合は、上記の式（１）のインデックスｊについての和の部分で、各ｑで適当なｊを選び、その分のΦｊ（ｚ，ｘ，｛ｎｑ-1｝）及びΨｊ（ｚ，ｘ，｛ｎｑ-1｝）のみを計算して、以降の計算を繰り返すことも可能である（ステップＳ２）。
【００３５】
以上の演算において、Φｊ（ｚ，ｘ，｛ｎｑ-1｝）とΨｊ（ｚ，ｘ，｛ｎｑ-1｝）の値とが近い場合には、上記の式（１）中のＩｍ［φｊ（ｚ，ｘ，｛ｎｑ-1｝)＊・Ψｊ（ｚ，ｘ，｛ｎｑ-1｝)］は伝搬フィールドと逆伝搬フィールドの位相差に対応する値となり、この位相差の値を減少させることで所望の出力を得ることが可能である。すなわち、光導波路アレイ１２の各光導波路の幅およびスラブ光導波路１３の幅の決定に際しては、（ｑ−１）番目の計算結果の屈折率分布におけるコアとクラッドの境界面において、Ｉｍ［φｊ（ｚ，ｘ，｛ｎｑ-1｝)＊・Ψｊ（ｚ，ｘ，｛ｎｑ-1｝)］の値が小さくなるように、コア幅を拡大もしくは縮小すれば良い（ステップＳ４）。
【００３６】
上述した波動伝達媒体における波動方程式に基づいた演算内容を、本発明にかかる光回路において光導波路長手方向に変調される光導波路アレイ１２の各光導波路の幅、およびスラブ光導波路１３の幅を決定する観点から要約すると次のようになる。図１の入力光導波路１１の入力ポートから入力された信号光のフィールドを、入力光導波路１１側から出力光導波路１４側へ伝搬させたフィールド（順伝搬光）をΨ、出力光導波路１４の所望の出力ポートから出力される所望の信号光のフィールドの位相を反転させたフィールドを出力光導波路１４側から入力光導波路１１側へ伝搬させたフィールド（逆伝搬光）をΦ＊とする。
【００３７】
ここで、設計する光回路の出力ポートの数がＮ本（Ｎは１以上の整数）である場合を考える。各出力ポートにおける所望の出射フィールドを、出力ポート位置を考慮してＮ回重ね合わせ、この重ね合わせたフィールドを出射端面における所望のフィールドとすることで、光回路の設計が可能となる。このとき、図１に示すｚ軸の各位置で順伝搬光Ψと逆伝搬光Φ*の位相差が最小となるような屈折率分布を与えれば、入力させた信号光を所望の出力信号光に変換するための最適な光回路を構成することができる。
【００３８】
具体的には、図１に示すｚ軸の各位置で、コアとクラッドの境界面における順伝搬光と逆伝搬光の位相差（Ψ−Φ*）を計算する。コアとクラッドの境界面における順伝搬光と逆伝搬光の位相差が正である場合では（Ψ−Φ*＞０）、光導波路アレイ１２の各光導波路の幅およびスラブ光導波路１３の幅を拡大することで、ΨとΦ*の位相差を最小化することが可能である。また、コアとクラッドの境界面における順伝搬光と逆伝搬光の位相差が負である場合では（Ψ−Φ*＜０）、光導波路アレイ１２の各光導波路の幅およびスラブ光導波路１３の幅を縮小することで、ΨとΦ*の位相差を最小化することが可能である。
【００３９】
以上のように、光導波路アレイ１２の各光導波路の幅およびスラブ光導波路１３の幅のみを変化させることにより、波動の散乱を抑制し、信号光の伝搬損失の小さい光回路を設計することができる。
【００４０】
ここで、光導波路アレイ１２に直交して配列された櫛状の複数のスラブ光導波路１３において、各隣接するスラブ光導波路１３の間隔が非常に狭い場合には、光回路の作製が困難になるという問題が生じる。従って、各隣接するスラブ光導波路１３の間隔の最小値をｄminとした場合、既存の光回路作製プロセスを利用することを考慮し、ｄmin≧１．０μｍを満たすことが望ましい。
【００４１】
また、光導波路長手方向に変調される光導波路アレイ１２の各光導波路およびスラブ光導波路１３において、信号光伝搬方向に対して光導波路アレイ１２の各光導波路の幅およびスラブ光導波路１３の幅の変化が急峻である場合には、光回路の作製が困難になるという問題が生じる。従って、光導波路アレイ１２の各光導波路の幅およびスラブ光導波路１３の幅の変化は、連続的でなめらかであることが望ましい。さらに、下記するように信号光の波長を考慮して、信号光伝搬方向の単位長さ（１μｍ）当たり±８．０μｍの範囲内であることが望ましい。
【００４２】
すなわち、一般に、光通信に用いられる信号光の波長は、１．２〜１．７μｍの範囲である。ここで、光導波路アレイ１２の各光導波路の幅およびスラブ光導波路１３の幅の変化量が信号光の波長と比較して極端に大きい場合には、信号光が基板１０に対して垂直の方向に散乱されてしまう。このため、信号光の伝搬損失が増加する。従って、信号光の散乱を抑制するためには、光導波路アレイ１２の各光導波路の幅およびスラブ光導波路１３の幅の変化量を、波長の数倍程度、具体的には±８．０μｍ以内にするのが効果的である。尚、後述するように、光導波路アレイ１２の各光導波路の幅およびスラブ光導波路１３の幅の変化量を、±４．０μｍ以内に制限した場合であっても充分な効果が得られる。
【００４３】
図１に示す光回路は、次のような手順により作製した。まず、シリコン基板上に火炎堆積法などによってＳｉＯ２下部クラッド層を堆積し、次にその下部クラッド層上にＧｅＯ２をドーパントとして添加したＳｉＯ２ガラス層を下部クラッド層より高い屈折率を有するコア層として堆積した。次に、前述の設計に基づく図１に示すようなパターンを用いてコア層をエッチングして、コア部（光導波路）を形成した。最後に、下部クラッドおよびコア部上にＳｉＯ２上部クラッド層を堆積した。
【００４４】
図１に示す光回路は、従来の光回路作製プロセスを利用することを考慮して、光導波路長手方向に変調される光導波路アレイ１２の各光導波路の幅およびスラブ光導波路１３の幅の変化量の上限を、信号光伝搬方向の単位長さ（１μｍ）当たり±４．０μｍとして設計し、かつ光導波路アレイ１２に直交して配列された複数のスラブ光導波路１３における各隣接するスラブ光導波路１３の間隔の最小値をｄmin＝３．０μｍとして設計したものである。光導波路アレイ１２に直交して配列されたスラブ光導波路１３の数は３２個である。入力光導波路１１のコアの幅および２本の出力光導波路１４ａ，１４ｂのコアの幅は７μｍ、２本の出力光導波路１４ａと１４ｂの中心間距離は１５μｍである。光回路内の光導波路のコアの厚さは６μｍである。コアの屈折率は１．４５５２３、クラッドの屈折率は１．４４４２８とした。光回路の長さは５００μｍである。
【００４５】
尚、光導波路アレイ１２の各光導波路の幅を変化させた場合に、コアの幅の変化に伴い該光導波路が部分的に消滅する箇所を含むことがある。すなわち、本実施形態にかかる光回路は、光導波路アレイ１２の各光導波路においてコアの幅が部分的に０となる光導波路で構成される場合があり、このような構成であっても以下に説明する効果を得ることができる。
【００４６】
図３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。波長１．３１μｍと波長１．５５μｍの光が合波された信号光を、入力光導波路１１から光伝搬方向に配列した複数の光導波路からなる光導波路アレイ１２に入力する。波長１．３１μｍの信号光が出力光導波路１４ｂから出力され、波長１．５５μｍの信号光が出力光導波路１４ａから出力されており、波長分波器として機能していることがわかる。
【００４７】
このように、光導波路長手方向に変調される光導波路アレイ１２の各光導波路の幅およびスラブ光導波路１３の幅の変化量の上限を、信号光伝搬方向の単位長さ（１μｍ）当たり±４．０μｍに制限し、光導波路アレイ１２に直交して配列された複数のスラブ光導波路１３における隣接するスラブ光導波路１３の間隔の最小値をｄmin＝３．０μｍに制限しても、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波長分波器として充分機能する光回路を実現できる。
【００４８】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態にかかる光回路を基板に対して垂直上方向から見た平面図である。ｚ軸は信号光の伝搬方向を示している。ここで、図４の光回路は光タップ回路としたが、本発明にかかる光回路は本実施形態に限定されるものではない。図４に示す光回路は、第１の実施形態に示した光回路と同じ手順により、設計および作製した。図４に示す光回路は，従来の光回路作製プロセスを利用することを考慮して、光導波路長手方向に変調される光導波路アレイ１２の各光導波路の幅および櫛形の複数のスラブ光導波路１３の幅の変化量の上限を，信号光伝搬方向の単位長さ（１μｍ）当たり±４．０μｍとして設計し、かつ光導波路アレイ１２に直交して配列された複数のスラブ光導波路１３における各隣接するスラブ光導波路１３の間隔の最小値をｄｍｉｎ＝３．０μｍとして設計したものである。
【００４９】
光導波路アレイ１２に直交して配列されたスラブ光導波路１３の数は１８個である。１本の入力光導波路１１のコアの幅および２本の出力光導波路１４ａ、１４ｂのコアの幅は７μｍ、２本の出力光導波路１４ａと１４ｂの中心間距離は１０μｍである。光回路内の光導波路のコアの厚さは６μｍである。コアの屈折率は１．４５５２３、クラッドの屈折率は１．４４４２８とした。光回路の長さは２５０μｍである。
【００５０】
尚，光導波路アレイ１２の各光導波路の幅を変化させた場合に，コアの幅の変化に伴い光導波路が部分的に消滅する箇所を含むことがある。すなわち，本実施形態にかかる光回路は，光導波路アレイ１２の各光導波路においてコアの幅が部分的に０となる光導波路で構成される場合があり，このような構成であっても以下に説明する効果を得ることができる。
【００５１】
図５に、本発明の第２の実施形態にかかる光タップ回路の透過率を示す。入力光導波路１１に入力された信号光のうち、９０％が出力光導波路１４ａから出力され、１０％が出力光導波路１４ｂから出力されており、信号光の一部を取り出す光タップ回路として機能していることがわかる。信号光を取り出す割合、すなわち光タップ回路のタップ量は、光タップ回路の設計において、所望の出力フィールドをタップ量に応じて設定することにより、調整することが可能である。
【００５２】
このように、光導波路長手方向に変調される光導波路アレイ１２の各光導波路の幅およびスラブ光導波路１３の幅の変化量の上限を，信号光伝搬方向の単位長さ（１μｍ）当たり±４．０μｍに制限し、光導波路アレイ１２に直交して配列された複数のスラブ光導波路１３における各隣接するスラブ光導波路１３の間隔の最小値をｄｍｉｎ＝３．０μｍに制限しても，任意の出力光導波路に任意の出力比で信号光を出力させる光タップ回路として充分機能する光回路を実現できる。
【００５３】
また、第２の実施形態の光回路を用いれば、透過率に波長依存性のある光回路だけではなく、波長依存性の小さな光回路を提供することができる。
【００５４】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態にかかる光回路を基板に対して垂直上方向から見た平面図である。ｚ軸は信号光の伝搬方向を示している。ここで、図６の光回路は１×４光スプリッタとしたが、本発明にかかる光回路は本実施形態に限定されるものではない。図６に示す１×４光スプリッタは、第１の実施形態に示した光回路と同じ手順により、設計および作製した。
【００５５】
図６に示す光回路は，従来の光回路作製プロセスを利用することを考慮して、光導波路長手方向に変調される光導波路アレイ１２の各光導波路の幅およびスラブ光導波路１３の幅の変化量の上限を，信号光伝搬方向の単位長さ（１μｍ）当たり±８．０μｍとして、光導波路アレイ１２に直交して配列された複数のスラブ光導波路１３における隣接するスラブ光導波路１３の間隔の最小値をｄｍｉｎ＝５．０μｍとして設計したものである。
【００５６】
光導波路アレイ１２に直交して配列された櫛形の複数のスラブ光導波路１３の数は２３個である。入力光導波路１１の幅および出力光導波路１４のコアの幅は７μｍ、４本の出力光導波路１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの間隔はそれぞれ１０μｍである。光回路内の光導波路のコアの厚さは６μｍである。コアの屈折率は１．４５５２３、クラッドの屈折率は１．４４４２８とした。光回路の長さは５００μｍである。
【００５７】
尚，光導波路アレイ１２の各光導波路の幅を変化させた場合に，コアの幅の変化に伴い光導波路が部分的に消滅する箇所を含むことがある。すなわち，本実施形態にかかる光回路は，光導波路アレイ１２の各光導波路においてコアの幅が部分的に０となる光導波路で構成される場合があり，このような構成であっても図７を参照して以下に説明する効果を得ることができる。
【００５８】
図７に、本発明の第３の実施形態にかかる１×４光スプリッタの４本の出力光導波路の透過率を示す。１本の入力光導波路１１に入力された信号光のうち、図７に示すように、２５％ずつ出力光として４本の出力光導波路１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄからそれぞれ出力されており、この回路は信号光を分岐する光スプリッタ回路として機能していることがわかる。各出力光導波路における信号光の出力比は、１×４光スプリッタの設計において、所望の出力フィールドを出力比に応じて設定することにより、調整することが可能である。
【００５９】
このように、光導波路長手方向に変調される光導波路アレイ１２の各光導波路の幅およびスラブ光導波路１３の幅の変化量の上限を，信号光伝搬方向の単位長さ（１μｍ）当たり±８．０μｍに制限し、光導波路アレイ１２に直交して配列された複数のスラブ光導波路１３における隣接するスラブ光導波路１３の間隔の最小値をｄｍｉｎ＝５．０μｍに制限しても，任意の出力光導波路に任意の出力比で信号光を出力させる１×４光スプリッタとして充分機能する光回路を実現できる。
【００６０】
（他の実施形態）
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１の実施形態の光回路の構成を示す平面図である。
【図２】屈折率分布を決定されるための計算手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１の実施形態の光回路の透過率を示す特性図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の光回路の構成を示す平面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の光回路の透過率を示す特性図である。
【図６】本発明の第３の実施形態の光回路の構成を示す平面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態の光回路の透過率を示す特性図である。
【図８】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。
【符号の説明】
【００６２】
１０，８０  基板
１１，８１  入力光導波路
１２  光伝搬方向に配列した複数の光導波路からなる光導波路アレイ
１３  光導波路アレイに直交して配列されたスラブ光導波路
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，８５  出力光導波路
８２，８４  スラブ光導波路
８３  アレイ導波路
【図１】
2006350115.tif 000004
【図２】
2006350115.tif 000005
【図３】
2006350115.tif 000006
【図４】
2006350115.tif 000007
【図５】
2006350115.tif 000008
【図６】
2006350115.tif 000009
【図７】
2006350115.tif 000010
【図８】
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