(57)【要約】製作トレランスが高く、任意の光分岐率を設定できる、光集積回路での利用に適した光分岐素子、光分岐回路、及びそれらの製造方法を提供する。  少なくとも２箇所に光結合する部分を有した、並行する第１および第２の光導波路からなる光分岐素子であって、光結合する部分を連結する、第１の光導波路部分と第２の光導波路部分とには光路長差が設けられ、光結合する部分のそれぞれの分岐率の値は、分岐率の変動に対する、分岐側光導波路からの光出力の変化が停留となる値の組み合わせとする。
2011043449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２箇所に光結合する部分を有した、並行する第１および第２の光導波路からなる光分岐素子であって、
前記光結合する部分を連結する、前記第１の光導波路部分と前記第２の光導波路部分とには光路長差が設けられ、
前記光結合する部分のそれぞれの分岐率の値は、分岐率の変動に対する、分岐側光導波路からの光出力の変化が停留となる値の組み合わせとしたことを特徴とした光分岐素子。
【請求項２】
前記光路長差は、入力する光の波長より短いことを特徴とした、請求項１記載の光分岐素子。
【請求項３】
光分岐素子を構成する前記光結合する部分のうち、２段目以降の前記光結合する部分の分岐比は、当該光結合する部分の前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とにそれぞれ入力する光強度の比と等しくなる値を用いていることを特徴とした、請求項１または２に記載の光分岐素子。
【請求項４】
光分岐素子を構成する前記光結合する部分の分岐率の値は、結合係数の値をすべて同じ値に統一し、結合長の値をそれぞれ変えることによって調整したことを特徴とした、請求項１から３のいずれかに記載の光分岐素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の光分岐素子を２つ備え、第１の光分岐素子の分岐側光導波路からの出力ポートと第２の光分岐素子の入力側光導波路への入力ポートとが結合し、第２の光分岐素子の分岐側光導波路からの出力ポートと第１の光分岐素子の分岐側光導波路への入力ポートとが結合しているリング共振器を有することを特徴とした光分岐回路。
【請求項６】
請求項５に記載のリング共振器を少なくとも２つ備え、前段のリング共振器の出力ポートと後段のリング共振器の入力ポートとが結合している多重リング共振器を有することを特徴とした光分岐回路。
【請求項７】
少なくとも２箇所に光結合する部分を有した、並行する第１および第２の光導波路からなる光分岐素子の製造方法であって、
前記光結合する部分を連結する、前記第１の光導波路部分と前記第２の光導波路部分とには光路長差を設け、
前記光結合する部分のそれぞれの分岐率の値は、分岐率の変動に対する、分岐側光導波路からの光出力の変化が停留となる値の組み合わせとすることを特徴とした光分岐素子の製造方法。
【請求項８】
前記光路長差は、入力する光の波長より短くすることを特徴とした、請求項７記載の光分岐素子の製造方法。
【請求項９】
光分岐素子を構成する前記光結合する部分のうち、２段目以降の前記光結合する部分の分岐比は、当該光結合する部分の前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とにそれぞれ入力する光強度の比と等しい値とすることを特徴とした、請求項７または８に記載の光分岐素子の製造方法。
【請求項１０】
光分岐素子を構成する前記光結合する部分の分岐率の値は、結合係数の値をすべて同じ値に統一し、結合長の値をそれぞれ変えることによって調整することを特徴とした、請求項７から９のいずれかに記載の光分岐素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項７から１０のいずれかに記載の方法で製造した光分岐素子を２つ設け、第１の光分岐素子の分岐側光導波路からの出力ポートと第２の光分岐素子の入力側光導波路への入力ポートとを結合し、第２の光分岐素子の分岐側光導波路からの出力ポートと第１の光分岐素子の分岐側光導波路への入力ポートとを結合したリング共振器を設けることを特徴とした光分岐回路の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法で製造したリング共振器を少なくとも２つ設け、前段のリング共振器の出力ポートと後段のリング共振器の入力ポートとが結合した多重リング共振器を設けることを特徴とした光分岐回路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光集積回路を構成する光分岐素子に関し、特に光分岐素子の光分岐特性のばらつきを抑制する構造及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の光導波路技術の進歩に伴い、光回路の実用化、大規模化がなされている。特に光集積回路を構成する上では、光分岐素子はキーとなるデバイスの一つである。
一般に光分岐素子としては例えば、Ｙ字型光分岐導波路、マルチモード干渉型（以下、「ＭＭＩ型」という）光分岐素子、方向性結合器、あるいはマッハツェンダ干渉計型（以下、「ＭＺＩ型」という）光分岐素子などがある。これらの光分岐素子は半導体製造プロセスの成膜技術や微細加工技術などを適用することによって製造することができる。
ここでＹ字型光分岐導波路は光導波路の先端をＹ字型に分岐するもので、理論上優れた波長特性を示すが、分岐光導波路との接続部分で微細加工が要求され、製作トレランスが小さい。
ＭＭＩ型光分岐素子は多モード干渉を用いて光を分岐させるもので、２本の光導波路の間隔は広く取れるので、Ｙ字型光分岐に比べて製作トレランスを大きくすることができる。しかしながら、ＭＭＩ型光分岐素子は単一モード導波路から多モード導波路への接続が存在するために、モード変換損失が避けられない。
また２本の光導波路を近接させて構成する方向性結合器型や、方向性結合器を２箇所で構成し、２つの方向性結合器の間の２本の光導波路の光路長に差を持たせるＭＺＩ型の光分岐素子は、製造上、光分岐特性を安定させるのが難しい。これは、方向性結合器を構成する部分の２本の導波路は、非常に狭い間隔で形成する必要があるものの、現状のフォトリソグラフィとエッチングの技術水準では十分な精度が得られず、方向性結合器の光結合係数κの値が安定しないためである。
一方でこれら光分岐素子は、光回路を構成するときには多数使用されるので、個々の光分岐素子の光分岐率（または光分岐比）のばらつきを抑制することは非常に重要となる。これまでにも、フォトリソグラフィの最適化による導波路幅の均一化や、エッチングの最適化などが行われているが、製作ばらつきを十分に抑制することは難しい。
そこで、製造技術の精度に依存するのではなく、素子の構成によって光分岐率のばらつきを抑制することに重点をおいた技術の開発が行われている。例えば特開２００１−３１８２５３号公報（以下、「特許文献１」という）には曲がり光導波路を用いて方向性結合器を形成する技術が記載されている。この構成によれば狭ギャップとなる部分が短くなるため、その分製作トレランスが向上するとしている。また特開２００１−２２８３４８号公報（以下、「特許文献２」という）には２×２の光分岐素子を直列接続させることで、個々の光分岐で分岐率ばらつきが起こっても、全体として光分岐率をほぼ５０％に収束させることができる技術が記載されている。さらに特許第２６５３８８３号公報（以下、「特許文献３」という）には、ＭＺＩ型の光分岐素子を構成する２つの方向性結合器の間を結ぶ、２本の光導波路の光路長差を調整することによって、波長による分岐比の変動を打ち消す技術が記載されている。特許文献３では、この技術により、広い波長域にわたって、光分岐率を一定の範囲内に止めることができるとしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、これらの光分岐素子には次のような問題があった。
まず特許文献１に記載の、曲がり導波路で方向性結合器を構成する方法では、直線導波路で方向性結合器を構成するのに比べて、狭ギャップ部分は相対的に減る。しかしながら、強い光結合を得るためには、導波路ギャップを小さくする必要があるため、結果として局所的に高い加工精度が要求される。また、強い光結合を得るために、曲がり導波路の曲率半径を大きくし、実効的な光結合長を長くすると、結果として素子全体が大きくなり、光集積回路用としては不向きになるという問題点があった。
また、特許文献２の２×２の光分岐素子を直列接続する方法では、光素子を多段にすると光分岐率の値を５０％に収束させることができる。しかしながら光分岐率の値は５０％に固定されるのみであり、それ以外の任意の光分岐率は実現できないという問題点があった。
さらに特許文献３のＭＺＩ型の光分岐素子では、波長特性による分岐率の変動を抑制することにより、広い波長域にわたって分岐率の値を一定の範囲内に止めることができるとしている。しかしながらこの技術は、光分岐素子を構成する方向性結合器自体の製作ばらつきによる分岐率の変動を抑えられるものではない。したがってこの光分岐素子は、波長に対する光分岐率の相対的な変動は抑えられても、設定した分岐率の値そのものを安定して得ることができない、という問題点があった。
本発明の目的は、上述した課題を解決し、製作トレランスが大きく、任意の光分岐率を設定できる、光集積回路での利用に適した光分岐素子、光分岐回路、及びそれらの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の光分岐素子は、少なくとも２箇所に光結合する部分を有した、並行する第１および第２の光導波路からなる光分岐素子であって、前記光結合する部分を連結する、前記第１の光導波路部分と前記第２の光導波路部分とには光路長差が設けられ、前記光結合する部分のそれぞれの分岐率の値は、分岐率の変動に対する、分岐側光導波路からの光出力の変化が停留となる値の組み合わせとしたことを特徴としている。
また本発明の光分岐素子の製造方法は、少なくとも２箇所に光結合する部分を有した、並行する第１および第２の光導波路からなる光分岐素子の製造方法であって、前記光結合する部分を連結する、前記第１の光導波路部分と前記第２の光導波路部分とには光路長差を設け、前記光結合する部分のそれぞれの分岐率の値は、分岐率の変動に対する、分岐側光導波路からの光出力の変化が停留となる値の組み合わせとしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、製作トレランスが高く、任意の光分岐比を設定することのできる、光集積回路での利用に適した光分岐素子、光分岐回路を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の第１の実施の形態の光分岐素子の構成を示す上面図である。
【図２Ａ】本発明の第１の実施の形態の光分岐素子を構成する方向性結合器の分岐率が特定の組み合わせの場合における、分岐率の値の変動に対する、光分岐素子の光分岐特性の第１の例を示す模式図である。
【図２Ｂ】本発明の第１の実施の形態の光分岐素子を構成する方向性結合器の分岐率が特定の組み合わせの場合における、分岐率の値の変動に対する、光分岐素子の光分岐特性の第２の例を示す模式図である。
【図２Ｃ】本発明の第１の実施の形態の光分岐素子を構成する方向性結合器の分岐率が特定の組み合わせの場合における、分岐率の値の変動に対する、光分岐素子の光分岐特性の第３の例を示す模式図である。
【図３Ａ】本発明の第２の実施の形態の光分岐素子の、κＬＤＣに対する分岐光出力の変化を示す特性図である。
【図３Ｂ】一般の方向性結合器単体の、κＬＤＣに対する分岐光出力の変化を示す特性図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の光分岐素子の構造を示す断面図である。
【図５Ａ】本発明の第２の実施の形態の光分岐素子の製造工程を示す断面図である。
【図５Ｂ】本発明の第２の実施の形態の光分岐素子の製造工程を示す断面図である。
【図５Ｃ】本発明の第２の実施の形態の光分岐素子の製造工程を示す断面図である。
【図５Ｄ】本発明の第２の実施の形態の光分岐素子の製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態の光分岐素子を構成する方向性結合器の分岐率の、設定値からのずれ量に対する分岐光出力の変化を示す特性図である。
【図７Ａ】本発明の第４の実施の形態の光分岐素子を用いたリング共振器型波長フィルタの上面図である。
【図７Ｂ】一般の方向性結合器を用いたリング共振器型波長フィルタの上面図である。
【図８Ａ】本発明の第５の実施の形態の光分岐素子を用いた３段リング共振器型波長フィルタの上面図である。
【図８Ｂ】一般の方向性結合器を用いた３段リング共振器型波長フィルタの上面図である。
【図９】リング共振器部分に薄膜ヒータを設けた、本発明の第６の実施の形態の光分岐素子を用いた３段リング共振器型波長フィルタの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
次に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施の形態の光分岐素子の構成を示す上面図である。この光分岐素子は、２箇所に光結合する部分３、６を有した、並行する第１の光導波路１および第２の光導波路２からなる。そして光結合する部分３、６を連結する、第１の光導波路部分４と第２の光導波路部分５とには光路長差が設けられている。また光結合する部分３、６のそれぞれの分岐率の値α、βは、分岐率の変動に対する、分岐側光導波路からの光出力の変化が停留となる値の組み合わせとしている。さらに光分岐素子の光分岐特性は、第１の光導波路部分４と第２の光導波路部分５との光路長差によって調整されている。
この実施の形態では、上記のようなαおよびβの組み合わせを用いることにより、製造ばらつき等に起因するαおよびβの値の多少の変動があっても、図１の光分岐素子の光分岐特性が変動するのを効果的に抑えられる。例えば図２Ａ〜図２Ｃは、αおよびβの設定値からの変動量に対して、入力ポート７ａから入射し出力ポート８ｂから出射する分岐光出力強度の変化が局所的に停留となるパターンをそれぞれ模式的に示したものである。ここでは設定したαおよびβの値を基準に、αおよびβからのずれ幅量Δ（α＋β）に対する分岐光出力強度の変化を示している。このずれ幅量Δ（α＋β）は、αおよびβからのそれぞれのずれ量の合計とし、また両者のずれは増加（＋）あるいは減少（−）のいずれか同じ方向に同じ量が発生する場合を想定している。図２Ａ〜図２Ｃに示すように、図１に示す光分岐素子の光分岐特性は、αおよびβの値の組合せによって多様に変化し、通常は図２Ａのａ点における場合のように、αおよびβの値がわずかに変動すると光分岐素子の光分岐特性は、大きく変動する。しかしながらαおよびβの設定値を、図２Ａにおけるｂ点、図２Ｂにおけるｃ点、図２Ｃにおけるｄ点のいずれかになるような特定の組み合わせとした場合、αおよびβの値が多少変動しても、光分岐素子の光分岐特性はほとんど変動しない。
なおこの光分岐素子の光分岐特性は、第１の光導波路部分４と第２の光導波路部分５との光路長差を調整することによって、任意に設定することができる。すなわち、この光路長差により、それぞれの光導波路の内部を進む光に光位相差を与え、両者を干渉させることにより出力ポート８ｂに出力される分岐光強度を調整することができる。このような光路長差を制御性よく作成することは、光集積回路で利用される微細な光分岐素子において、方向性結合器部分の光分岐率の値を制御性よく作成することに比べればはるかに容易で、製造ばらつき等の影響を受けにくい。
以上のように、この実施の形態では、光分岐素子の光分岐特性の製造ばらつき等による変動を効果的に抑制し、かつ任意の光分岐率を設定できる、光集積回路での利用に適した光分岐素子を得ることができる。
なお光結合する部分を３つ以上有する構成の光分岐素子の場合においても、同様に、まず各光結合する部分の光分岐率の値は、各光結合する部分の光分岐率の値の変動に対する、出力ポートからの光出力の変化特性が停留となるような光分岐率の組合せに設定する。そしてさらに各光結合する部分間の連結部分の光路長差を、所望の分岐特性が得られる値とする。このように各設計パラメータを設定することにより、製作トレランスが高く、任意の光分岐比を設定することのできる、光集積回路での利用に適した光分岐素子、光分岐回路を得ることができる。
次に、本発明の第２の実施の形態について詳細に説明する。第２の実施の形態の光分岐素子は、構成自体は第１図に示したものと同じであるが、光分岐特性の製作ばらつきによる変動を抑制するための、設計パラメータ設定を以下のように行うものである。
図１に示す光分岐素子における光結合する部分３、６はそれぞれ方向性結合器を構成している。この光分岐素子の入出力特性は、ＭＺＩ型光分岐素子の場合に従い、伝達行列を用いて以下のように表すことができる。
2011043449.tif 000003
ここで、式（１）のＴ１１は図１中の入力ポート７ａから出力ポート８ａへ、Ｔ１２は入力ポート７ａから出力ポート８ｂへ、Ｔ２１は入力ポート７ｂから出力ポート８ａへ、Ｔ２２は入力ポート７ｂから出力ポート８ｂへの伝達関数をそれぞれ表している。なお伝達関数とは各ポートにおける光の振幅の入出力比をいう。またκは方向性結合器３、６の結合係数、ＬＤＣｉｎ、ＬＤＣｏｕｔはそれぞれ方向性結合器３、６の結合長、ｎｅｆｆは光導波路の実効屈折率、λは入射光波長、ｄＬは連結部４、５間の光路長差である。式（１）を展開すると以下のように伝達関数を求めることができる。
2011043449.tif 000004
ただし、
2011043449.tif 000005
2011043449.tif 000006
である。これより、入力ポート７ａから入射した光が分岐して出力ポート８ｂより出射されることを想定し、分岐側光導波路２側からの入力はないとしたとき、入力ポート７ａから出力ポート８ｂへの伝達関数は、
2011043449.tif 000007
として表されるので、その光強度の伝達関数は、
2011043449.tif 000008
となる。
方向性結合器の光分岐率の値は、結合係数κと結合長ＬＤＣとの積の値に対応するので、方向性結合器の光分岐率はκとＬＤＣの値によって設定することができる。なおκは２本の導波路間の溝幅と、２本の導波路の光の染み出しから決まる値である。図３Ａは、方向性結合器３及び６の結合係数κおよび結合長ＬＤＣの値が共に等しい単純な構成の場合について、κＬＤＣに対する式（４）の計算結果を示す。また比較のための参考例として、図３Ｂには一般の方向性結合器単体の場合についての、κＬＤＣに対するクロスポートへの光出力特性の計算結果を示す。
単体の方向性結合器の場合に対して図１のようなＭＺＩ型光分岐素子の分岐光出力特性は１／２の周期をもち、κＬＤＣに対して分岐光出力特性の傾きが急峻な部分が増える。しかしながら、κＬＤＣの設計値として、この分岐光出力特性が停留となる点を用いれば、κＬＤＣの値が製造精度の問題でばらついたとしても、光分岐特性への影響を最小限に抑えることが可能である。ここではκＬＤＣの設計値として、例えば分岐光出力が極大となるκＬＤＣ＝π／４あるいはκＬＤＣ＝３π／４の値を用いることができる。
なお図３Ａには、位相変化領域での位相変化量φ＝２πｎｅｆｆｄＬ／λを変えた場合の分岐光出力の特性も合わせて示している。図３Ａに示すように、φの値を変えても、分岐光出力特性は頂点の位置は変わらずに頂点高さのみが変動する。ここでφは光路長差ｄＬに比例する値であり、本発明では位相変化領域のｄＬを変化させることによって、光分岐素子を構成する方向性結合器のκＬＤＣの値とは独立に光分岐率を制御可能である。従って、本発明による光分岐素子は、光分岐特性のばらつきを抑制しつつ、同時に光分岐率の値を任意に設定することが可能である。
次に図１に示した光分岐素子の製造方法を説明する。図４は図１のＡ−Ａ‘線に沿った断面図、図５Ａ〜Ｄはその製造手順である。図４を参照すると、シリコン基板９上に下部クラッド層１０が形成され、その上に２本の光導波路が設けられ、さらにこの光導波路層の上面にはリフロー層１１及び上部クラッド層１２が設けられている。下部クラッド層１０、上部クラッド層１２およびリフロー層１１に対してこの光導波路は屈折率が高く、光導波路内への光閉じ込めがなされている。
この光分岐素子は、半導体製造プロセスを適用して作成される。まず始めに図５Ａに示すように、シリコン基板９上にプラズマを用いた化学気相成長法を用いて、下部クラッド層１０となるＮＳＧ（Ｎｏｎ  ｄｏｐｅ  Ｓｉｌｉｃａ  Ｇｌａｓｓ）膜を成膜したのち、光導波路コア層１３となるＳｉＯＮ（酸窒化珪素）膜を成膜する。
その後、フォトリソグラフィによって導波路コアのパターンをフォトレジスト１４に転写し、図５Ｂに示すように光導波路コア層１３を、反応性イオンエッチングによってパターニングする。このとき、方向性結合器３及び６を構成する箇所の２本の導波路間の溝の幅は、例えば２箇所とも１．２５μｍ間隔となるように構成する。また、方向性結合器３及び６の間を繋ぐ導波路部分、すなわち連結部４及び連結部５の部分は、連結部４に曲率を持たせることによって連結部５との光路長差を確保する。この光路長差により、それぞれの光導波路の内部を進む光に光位相差を与え、両者を干渉させることにより出力ポート８に出力される分岐光強度を調整することができる。なおこの光路長差の設定においては、光分岐素子に入射する光の波長に相当する長さを単位として周期的に同じ干渉が得られることになるが、入射光波長より短い値で設定した場合に、光分岐素子のサイズは最小になる。
導波路コアのパターニング後には、Ｏ２アッシングによって残留レジストを取り除き、窒素雰囲気中で高温アニールを行う。さらに図５Ｃのようにリフロー層１１としてのＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）を常圧化学気相成長法によって成膜し、さらに高温アニールによってこのリフロー層１１を平坦化する。
最後に図５Ｄのように上部クラッド層１２としてのＢＰＳＧを常圧化学気相成長法によって成膜し、高温アニールによって膜密度を向上させ、光導波路としての構成を完成させる。
これらの光導波路形成工程では通常の半導体プロセスを適用しており、本実施形態の光分岐素子は一般的な技術で製造が可能である。ただし、ここに示した製造手順はあくまで１例であり、基板、下部クラッド層、光導波路コア、上部クラッド層の材料に対してはそれぞれシリコン、ＮＳＧ、ＳｉＯＮ、ＢＰＳＧに限るものではない。基板に対しては、十分な物理的強度を有し、導波路コア、クラッドに悪影響をもたらさなければよく、導波路コア、クラッド材については、導波路に光閉じ込めが起こる程度に屈折率が異なればよい。方向性結合器部分の導波路幅（結合長）、２つの導波路間の溝隔も、適切な光結合が起こるように距離を決めればよい。
この第２の実施の形態によれば、光集積回路での利用に適した光分岐素子、光分岐回路を、高い製作トレランスが得られ、任意の光分岐比を設定するための各設計パラメータを、計算により設定し、半導体製造プロセスを適用した微細加工技術により量産できる。
次に本発明の第３の実施の形態を説明する。
光分岐特性ばらつき抑制効果が得られる光分岐率の組合せは、上述した第２の実施の形態のように計算により得ることができるが、この効果が得られる典型的な光分岐率の組合せパターンにしたがって決めることもできる。このようなパターンとして、２段目以降の方向性結合器の光分岐比を、直前段から入力ポート１側光導波路と入力ポート２側光導波路とにそれぞれ入力してくる光の強度比と等しい値に設定した場合がある。例えば図１の光分岐素子において、１段目の方向性結合器３の光分岐率を０．８（分岐比０．８：０．２）とした場合、入力ポート１からの入射光が分岐され２段目の方向性結合器６の入力ポート１側光導波路と入力ポート２側光導波路とにそれぞれ入力される光の強度比は０．２：０．８となる。従ってこの場合、方向性結合器６の分岐比を０．２：０．８、すなわち分岐率０．２に設定する。
図６はこの組合せパターンとして、図１における方向性結合器３、６の分岐率α、βの組合せを「０．８、０．２」、「０．７、０．３」、「０．５、０．５」と設定した場合の、それぞれ設計値からのずれ量に対する光分岐素子の分岐特性の変動を示す。ここでは入力ポート１から入射し出力ポート８（クロスポート）から出力する分岐光出力の強度変化が示されている。
なおこの光分岐素子においては入力側光導波路部分４と分岐側光導波路部分５との光路長差ｄＬは、入射光の波長λより短い長さで設定されている。
さらに、入射光方向性結合器の光分岐率（または分岐比）を決めるパラメータである結合係数κおよび結合長ＬＤＣに関し、結合係数κは結合長ＬＤＣに比べて加工精度の影響をはるかに強く受けやすく、ばらつきが生じやすい。これは結合係数κの値が、２本の導波路間の狭いギャップの加工精度に依存するのに対し、結合長ＬＤＣは加工精度がそれほど問題になるようなスケールではないからである。このことから分岐率のばらつき要因を絞るため、分岐率の異なる方向性結合器を設計するにあたっては、結合係数κの設計値は同一とし、それぞれ結合長ＬＤＣを変えることによって分岐率を設定することが望ましい。
以上の観点から、この光分岐素子においては方向性結合器３及び６の光分岐率の設定は、結合係数κの値は同一とし、それぞれ結合長ＬＤＣを変えることによって行うものとした。
また図６の横軸は２つの方向性結合器のκＬＤＣ（すなわちκＬＤＣ１およびκＬＤＣ２）の設計値からのずれ量として示している。ここで、このずれ量はκＬＤＣ１およびκＬＤＣ２の設計値からのずれ量の合計とし、両者のずれは増加（＋）あるいは減少（−）のいずれか同じ方向に同じ量が発生する場合を想定している。一方、図６の縦軸は、光分岐素子全体の光分岐特性に対応する値として、光分岐素子の出力ポート８ｂ（クロスポート）からの光出力強度の変化を示している。
図６に示すように、２つの方向性結合器の光分岐率がこれらの値の組合せのときには設計値とのずれが零のときに、光分岐素子の出力ポート８ｂからの光出力強度は頂点となる。したがって、方向性結合器３および６の光分岐率がこれらの値の組合せに設定されている場合、実際の分岐率の値がばらついても、光分岐素子全体の光分岐特性のばらつき幅を抑制することができる。
なお光分岐素子を構成する方向性結合器が３つ以上の場合でも、上記のパターンに従い方向性結合器の分岐率の組み合わせを設定すれば、光分岐特性のばらつきを抑制できる。例えば上述の２段光分岐素子構成にさらに方向性結合器を１段追加した、３段方向性結合器構成の場合について説明する。この３段のうち１、２段目の分岐率をそれぞれ０．８、０．２とし、さらに連結部の光路長差調整により３段目の入力ポート１、２側導波路への入力光強度比が０．６：０．４となるように設定したとする。この場合、３段目の分岐比を０．６：０．４、すなわち分岐率０．６に設定すれば、上述の２段構成光分岐素子の場合と同様に、光分岐特性のばらつき幅を抑制することができる。
この第３の実施の形態によれば、複雑な計算を行わなくとも、典型的なパターンに従って、光分岐特性ばらつき抑制効果が得られる光分岐率の組合せを決定することができる。
次に本発明の第４の実施の形態について説明する。
図７Ａは本発明の第４の実施の形態として、リング共振器型波長フィルタに本発明の光分岐素子を用いた場合の構成を示す上面図である。一般のリング共振器は図７Ｂに示す構成であるが、２つの方向性結合器部分の光分岐率は製造精度の問題でばらつきが生じやすく、この構成では方向性結合器部分の光分岐特性のばらつきの影響を受けリング共振器の共振特性が変動してしまう。一方、この２つの方向性結合器を、図７Ａに示すように本発明の光分岐素子でそれぞれ置き換えた場合、上述の第１の実施の形態と同様に各方向性結合器の分岐率の設定によって、製作ばらつきによる光分岐特性のばらつきを抑制することができる。したがってこの第４の実施の形態では、リング共振器の共振特性の変動を効果的に抑えられるため、製造トレランスの高いリング共振器を得ることができるメリットがある。
次に本発明の第５の実施の形態について説明する。
図８Ａは本発明の第５の実施の形態として、本発明の方向性結合器を用いたリング共振器を多段に接続して構成した、多段リング共振器の構成を示す上面図である。なお図８Ｂは通常の方向性結合器を用いた多段リング共振器の上面図を示す。両者は共に３段目のリング共振器終端で光が反射し、入力側に戻ってくる状況を想定している。図８Ｂのように光分岐素子が多数使用される構成では、個々の光分岐素子の分岐特性のばらつきが掛け合わされ、全体の光出力特性に与える影響は著しく大きくなるため、個々の光分岐素子の分岐特性のばらつきの抑制は非常に重要となる。これらの光分岐素子を、図８Ａに示すように本発明の光分岐素子でそれぞれ置き換えた場合、上述の第１、第２の実施の形態と同様に各方向性結合器の分岐率の設定により、製作ばらつきによる個々の光分岐特性のばらつきを抑制することができる。この第５の実施の形態では多数の光分岐素子が使用された多段リング共振器の共振特性の変動を効果的に抑えることができ、そのメリットは特に大きい。
次に本発明の第６の実施の形態について説明する。
図９は本発明の第６の実施の形態を示す上面図である。通常の方向性結合器にヒータや電極など、局所的に屈折率を変化させる構造を併用することが可能だが、この実施の形態は、リング共振器を多段に接続して構成したリング共振器の、個々のリングに薄膜ヒータ１５を付加したものである。この第６の実施の形態においても、個々の光分岐素子の歩留まりを向上させることで、光回路全体の歩留まりを飛躍的に向上させることができ、第５の実施の形態と同様に、やはりメリットは特に大きい。
以上説明したとおり、本発明により製作ばらつきに対して光分岐特性変動への影響を受けにくい光分岐素子を製作できる。また本発明はリング共振器、さらに直列接続させた多段型リング共振器などに利用した場合、特にメリットが大きい。さらに本発明はリング共振器型に止まらず、全ての光分岐素子が用いられる状況、つまり方向性結合器による光分岐や、Ｙ字型光分岐、ＭＭＩ型光分岐、ＭＺＩ型光分岐など、全ての光分岐素子を本発明による光分岐素子に置き換えることが可能である。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２００９年１０月９日に出願された日本出願特願２００９−２３５１１２を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【０００８】
１    第１の光導波路
２    第２の光導波路
３    光結合する部分（方向性結合器）
４    第１の光導波路部分（連結部）
５    第２の光導波路部分（連結部）
６    光結合する部分（方向性結合器）
７ａ、７ｂ    入力ポート
８ａ、８ｂ    出力ポート
９    シリコン基板
１０    下部クラッド層
１１    リフロー層
１２    上部クラッド層
１３    光導波路コア層
１４    フォトレジスト
１５    薄膜ヒータ
【図１】
2011043449.tif 000009
【図２Ａ】
2011043449.tif 000010
【図２Ｂ】
2011043449.tif 000011
【図２Ｃ】
2011043449.tif 000012
【図３Ａ】
2011043449.tif 000013
【図３Ｂ】
2011043449.tif 000014
【図４】
2011043449.tif 000015
【図５Ａ】
2011043449.tif 000016
【図５Ｂ】
2011043449.tif 000017
【図５Ｃ】
2011043449.tif 000018
【図５Ｄ】
2011043449.tif 000019
【図６】
2011043449.tif 000020
【図７Ａ】
2011043449.tif 000021
【図７Ｂ】
2011043449.tif 000022
【図８Ａ】
2011043449.tif 000023
【図８Ｂ】
2011043449.tif 000024
【図９】
2011043449.tif 000025
【国際調査報告】
2011043449.tif 000026
2011043449.tif 000027
2011043449.tif 000028
2011043449.tif 000029