(57)【要約】【課題】温度調整装置を必要とすることなく、中心波長の温度依存性を抑制する。【解決手段】光導波路部１０３の各光導波路Ｐ（Ｐ１〜Ｐｎ）を、それぞれ石英系導波路１１１，１１３とシリコン導波路１１２とから構成し、各光導波路Ｐにおける中心波長に対する温度依存性が互いに等しくなるよう、これら石英系導波路１１１，１１３とシリコン導波路１１２の長さを調整する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力導波路から入力された光を複数に分岐して出力する光分岐部と、
前記光分岐部で分岐された光を、それぞれ長さの異なる複数の光導波路を介して出力する光導波路部と、
前記光導波路部の各光導波路からの光を結合して出口導波路へ出力する光結合部と
を備え、
前記光導波路のそれぞれは、石英系導波路とシリコン導波路とから構成され、前記各光導波路における中心波長に対する温度依存性が互いに等しくなるよう、これら石英系導波路とシリコン導波路の長さが調整されている
ことを特徴とする導波路型光干渉計。
【請求項２】
請求項１に記載の導波路型光干渉計において、
前記光導波路部のうち隣接する光導波路間におけるシリコン導波路の長さの変化分をΔＬAとし、石英系導波路の長さの変化分をΔＬBとし、当該シリコン導波路の有効屈折率の温度微分をｄｎA／ｄＴとし、当該石英系導波路の有効屈折率の温度微分をｄｎB／ｄＴとした場合、ΔＬAとΔＬBは、次の式
【数１】
2011252996.tif 000009
で表される関係を有することを特徴とする導波路型光干渉計。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の導波路型光干渉計において、
前記光分岐部および前記光結合部は、スラブ型導波路から構成されていることを特徴とする導波路型光干渉計。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の導波路型光干渉計において、
前記石英系導波路と前記シリコン導波路との接続部は、徐々に縮小するコアを持つ前記シリコン導波路が前記石英系導波路のコアの内部に包含された構造を有することを特徴とする導波路型光干渉計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉技術に関し、特に長さの異なる複数の光導波路を用いた光干渉技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光導波路を用いた干渉計は様々な光回路に用いられている。特に、光通信の容量拡大のために使われる波長多重通信（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）システムにおいては、複数の導波路経路を持つ干渉計であるアレイ導波路格子型波長合分波器（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）が広く使用されている。
【０００３】
図６は、従来のアレイ導波路格子型波長合分波器を示す回路構成例である。
このアレイ導波路格子型波長合分波器５００において、入力導波路５０１に入射された光は光分岐部５０２で複数のアレイ導波路５０３に分岐される。これらアレイ導波路５０３は通常、単一種類の導波路から構成され、隣接する導波路間で一定の導波路長差ΔＬを有している。これらアレイ導波路５０３は光結合部５０６で合流するが、それぞれのアレイ導波路５０３からの光は、波長に依存する位相差を持つ。その結果として、これらの導波路からの光は干渉し、波長に依存して集光する位置が異なるため、波長に応じて出口導波路５０７を配置しておけば、波長フィルタとして動作する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】K. Yamada et al., "Microphotonics Devices Based on Silicon Wire Waveguiding System," IEICE Trans. Electron., vol.E87-C, No.3, pp.351-358 (2004)
【非特許文献２】T. Shoji et al., "Low loss mode size converter from 0.3 μm square Si wire waveguides to single mode fibres," Electronicd Letters vol.38, No.25, pp.1669-1670 (2002)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなアレイ導波路格子型波長合分波器の中心波長λは、出力ポートを適当に選べば次の式（１）で表される。
【数１】
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ここで、Δ（ｎＬ）は隣接導波路間の光路長差、ｎは導波路の有効屈折率、ｍは回折次数（整数）である。
また、中心波長λの温度変化は、前述した式（１）を温度Ｔで微分した次の式（２）で表される。
【数２】
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【０００６】
このため、従来のアレイ導波路格子型波長合分波器によれば、隣接導波路間の光路長差ｎΔＬが温度により変化し、中心波長λが温度により変化してしまうという問題点があった。また、このような問題を避けるためには、アレイ導波路格子型波長合分波器のような干渉計型波長フィルタの温度を一定に保つ温度調整装置が必要となり、装置が大型化するとともに消費電力も増大するという問題点があった。
【０００７】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、温度調整装置を必要とすることなく、中心波長の温度依存性を抑制できる光干渉技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を達成するために、本発明にかかる導波路型光干渉計は、入力導波路から入力された光を複数に分岐して出力する光分岐部と、光分岐部で分岐された光を、それぞれ長さの異なる複数の光導波路を介して出力する光導波路部と、光導波路部の各光導波路からの光を結合して出口導波路へ出力する光結合部とを備え、光導波路のそれぞれは、石英系導波路とシリコン導波路とから構成され、各光導波路における中心波長に対する温度依存性が互いに等しくなるよう、これら石英系導波路とシリコン導波路の長さが調整されている。
【０００９】
この際、光導波路部のうち隣接する光導波路間におけるシリコン導波路の長さの変化分をΔＬAとし、石英系導波路の長さの変化分をΔＬBとし、当該シリコン導波路の有効屈折率の温度微分をｄｎA／ｄＴとし、当該石英系導波路の有効屈折率の温度微分をｄｎB／ｄＴとした場合、ΔＬAとΔＬBは、後述する式（６）で表される関係を有するようにしてもよい。
【００１０】
また、光分岐部および光結合部を、スラブ型導波路から構成してもよい。
また、石英系導波路とシリコン導波路との接続部を、徐々に縮小するコアを持つシリコン導波路が石英系導波路のコアの内部に包含された構造としてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、温度による各光導波路間の光路長差の変化を抑制できる。これにより、導波路型光干渉計において、温度調整装置を必要とすることなく、中心波長の温度依存性を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施の形態にかかる導波路型光干渉計の回路構成例である。
【図２】石英系導波路とシリコン導波路との接続部を示す説明図である。
【図３】第２の実施の形態にかかる導波路型光干渉計の回路構成例である。
【図４】第３の実施の形態にかかる導波路型光干渉計（マッハツェンダ干渉構造）の回路構成例である。
【図５】第３の実施の形態にかかる導波路型光干渉計（マッハツェンダ干渉構造）の他の回路構成例である。
【図６】従来のアレイ導波路格子型波長合分波器を示す回路構成例である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかる導波路型光干渉計について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる導波路型光干渉計の回路構成例である。
【００１４】
導波路型光干渉計１００は、全体として平面基板上に形成されたアレイ導波路格子型波長合分波器（ＡＷＧ）などの光干渉計である。
この導波路型光干渉計１００には、主な機能部として、入力導波路１０１から入力された光を複数に分岐して出力する光分岐部１０２と、光分岐部１０２で分岐された光を、それぞれ長さの異なる複数の光導波路Ｐ（Ｐ１〜Ｐｎ）を介して出力する光導波路部１０３と、光導波路部１０３の各光導波路Ｐからの光を結合して出口導波路１０５へ出力する光結合部１０４とが設けられている。
【００１５】
本実施の形態は、光導波路部１０３の各光導波路Ｐ（Ｐ１〜Ｐｎ）を石英系導波路とシリコン導波路とからそれぞれ構成し、各光導波路における中心波長に対する温度依存性が互いに等しくなるよう、これら石英系導波路とシリコン導波路の長さを調整したものである。
【００１６】
次に、図１を参照して、本実施の形態にかかる導波路型光干渉計１００について詳細に説明する。
導波路型光干渉計１００を構成する光導波路部１０３の光導波路Ｐは、光分岐部１０２と光結合部１０４との間に設けられて、光の進行方向に結合された石英系導波路１１１、シリコン導波路１１２、および石英系導波路１１３から構成されている。これら石英系導波路１１１、シリコン導波路１１２、および石英系導波路１１３は、光の進行方向に沿って結合されている。
【００１７】
すなわち、石英系導波路１１１には、光分岐部１０２から分岐出力された光が入力され、シリコン導波路１１２には、石英系導波路１１１から出力された光が入力され、石英系導波路１１３には、シリコン導波路１１２から出力された光が入力され、石英系導波路１１３から出力された光が光結合部１０４へそれぞれ入力される。
【００１８】
また、入力導波路１０１、光分岐部１０２、光結合部１０４、および出口導波路１０５は、それぞれ石英系導波路から構成されている。なお、図１において、石英系導波路は灰色で示されており、シリコン導波路は黒色で示されている。
これらのうち、光分岐部１０２および光結合部１０４は、スラブ型導波路で構成してもよい。
【００１９】
ここで、光導波路部１０３のうち、ｉ番目の光導波路Ｐｉの光路長は有効屈折率ｎと導波路長Ｌの積ｎＬで表される。但し、光導波路Ｐｉは、シリコン導波路１１２と石英系導波路１１１，１１３により構成されるので、シリコン導波路１１２の有効屈折率をｎAとするとともにその導波路長をＬｉAとし、石英系導波路１１１，１１３の有効屈折率をｎBとするとともにその導波路長をＬｉBとすると、ｉ番目の光導波路Ｐｉの光路長（ｎＬ）ｉは、次の式（３）で表される。
【数３】
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【００２０】
また、ｉ＋１番目の光導波路Ｐ（ｉ＋１）において、ｉ番目の光導波路Ｐｉに比較して、シリコン導波路１１２の長さがΔＬAだけ変化し、石英系導波路１１１，１１３の長さがΔＬBだけ変化する場合、隣接する光導波路Ｐｉ，Ｐ（ｉ＋１）間の光路長差Δ（ｎＬ）は、次の式（４）で表される。
【数４】
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【００２１】
この際、光路長差Δ（ｎＬ）の温度微分ｄΔ（ｎＬ）／ｄＴは、次の式（５）に示すように、シリコン導波路１１２の温度微分ｄｎA／ｄＴの影響と、石英系導波路１１１，１１３の温度微分ｄｎB／ｄＴの影響との和で表される。
【数５】
2011252996.tif 000007
【００２２】
したがって、光導波路Ｐにおける中心波長の温度依存性を抑制するには、式（５）＝０が成立すれば良い。ここで、シリコン導波路１１２の温度微分ｄｎA／ｄＴと石英系導波路１１１，１１３の温度微分ｄｎB／ｄＴは異なるので、シリコン導波路１１２の長さΔＬAと、石英系導波路１１１，１１３の長さΔＬBを調整することにより、式（５）＝０とすることは可能である。すなわち、ΔＬAとΔＬBとの間に次の式（６）の関係があれば良い。
【数６】
2011252996.tif 000008
【００２３】
具体的には、波長フィルタの特性に応じて、前述した式（４）の光路長差Δ（ｎＬ）は固定であるので、この制約条件のもとに、前述した式（６）の条件で、シリコン導波路１１２と石英系導波路１１１，１１３の長さを分配すれば良い。なお、図１では石英系導波路１１１，１１３がシリコン導波路１１２を挟んで２分割されているので、ここで取り扱うΔＬBの値は、この２分割された両石英系導波路１１１，１１３の合計長に対して定義すればよい。
【００２４】
図２は、石英系導波路とシリコン導波路との接続部を示す説明図である。
石英系導波路とシリコン導波路は、そのまま両者の端部を接続しても透過率が悪く、また両導波路接合部での反射等の問題もあるので、非特許文献２に開示されているような、接続構造を用いても良い。図２の例では、徐々に縮小するコアを持つシリコン導波路１１２が石英系導波路１１１，１１３のコアの内部に包含された構造になっている。
【００２５】
これにより、石英系導波路１１１，１１３とシリコン導波路１１２との接続部において、良好な透過率が得られるとともに、接合部における反射を抑制できる。
また、石英系導波路１１１，１１３に合わせて、光分岐部１０２および光結合部１０４、さらには入力導波路１０１および出口導波路１０５が、それぞれ石英系導波路から構成されているため、これら導波路の接続部において良好な接合特性が得られる。
また、シリコン導波路１１２については、非特許文献１に紹介されているような、小型で急峻な偏向が可能なシリコン細線導波路を用いても良い。
【００２６】
アレイ導波路格子型波長合分波器への具体的な適用例として、図１の構成例において、波長λ＝１５５０ｎｍで次数ｍ＝５０の場合を考える。
導波路の有効屈折率やその熱依存性は、通常、石英系導波路ではｎB＝１．４９，ｄｎB／ｄＴ＝１×１０-5であり、シリコン導波路ではｎA＝２．２８，ｄｎA／ｄＴ＝２×１０-4である。これらの値と式（１），（４），（６）から、ΔＬA＝−２．８２ｕｍ，ΔＬB＝５６．３２ｕｍとなる。
【００２７】
ここで、ΔＬA＋ΔＬB＝５３．５ｕｍは正の値であるが、ΔＬAは負の値になっているので、導波路アレイの最短導波路には、（導波路本数−１）倍×｜ＬA｜以上の長さのシリコン導波路１１２を形成し、隣接する光導波路Ｐ間ごとに、シリコン導波路１１２を２．８２ｕｍずつ短くし、石英系導波路１１１，１１３を５６．３２ｕｍずつ長くしていく構造にすればよい。
【００２８】
［第１の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、光導波路部１０３の各光導波路Ｐ（Ｐ１〜Ｐｎ）を、それぞれ石英系導波路１１１，１１３とシリコン導波路１１２とから構成し、各光導波路Ｐにおける中心波長に対する温度依存性が互いに等しくなるよう、これら石英系導波路１１１，１１３とシリコン導波路１１２の長さを調整したので、温度による各光導波路Ｐ間の光路長差の変化を抑制できる。これにより、導波路型光干渉計１００において、温度調整装置を必要とすることなく、中心波長の温度依存性を抑制することが可能となる。
【００２９】
［第２の実施の形態］
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかる導波路型光干渉計について説明する。図３は、第２の実施の形態にかかる導波路型光干渉計の回路構成例である。
第１の実施の形態では、光導波路部１０３の各光導波路Ｐにおいて、光分岐部１０２および光結合部１０４と直接接続する導波路を石英系導波路１１１，１１３で構成し、これら石英系導波路１１１，１１３に挟まれた導波路部分をシリコン導波路１１２で構成した場合について説明した。本実施の形態では、この構成とは逆の構成を用いた場合について説明する。
【００３０】
即ち、本実施の形態にかかる導波路型光干渉計２００では、光導波路部２０３の各光導波路Ｐにおいて、光分岐部２０２および光結合部２０４と直接接続する導波路をシリコン導波路２１１，２１３で構成し、これらシリコン導波路２１１，２１３に挟まれた導波路部分を石英系導波路２１２で構成している。これらシリコン導波路２１１、石英系導波路２１２、およびシリコン導波路２１３は、光の進行方向に沿って結合されている。
この場合、シリコン導波路２１１，２１３が２分割されているので、ΔＬAはこの２分割された両シリコン導波路２１１，２１３の合計長に対して定義すればよい。
【００３１】
また、シリコン導波路２１１，２１３と石英系導波路２１２との接続部について、前述した図２の接続構造を用いることにより、良好な透過率が得られるとともに、接合部における反射を抑制できる。また、シリコン導波路２１１，２１３については、非特許文献１に紹介されているような、小型で急峻な偏向が可能なシリコン細線導波路を用いても良い。
また、シリコン導波路２１１，２１３に合わせて、光分岐部２０２および光結合部２０４、さらには入力導波路２０１および出口導波路２０５が、それぞれ石英系導波路から構成されているため、これら導波路の接続部において良好な接合特性が得られる。なお、図２において、石英系導波路は灰色で示されており、シリコン導波路は黒色で示されている。
【００３２】
［第２の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、光導波路部２０３の各光導波路Ｐ（Ｐ１〜Ｐｎ）を、それぞれシリコン導波路２１１，２１３と石英系導波路２１２とから構成し、各光導波路Ｐにおける中心波長に対する温度依存性が互いに等しくなるよう、これらシリコン導波路２１１，２１３と石英系導波路２１２の長さを調整したので、温度による各光導波路Ｐ間の光路長差の変化を抑制できる。これにより、導波路型光干渉計２００において、温度調整装置を必要とすることなく、中心波長の温度依存性を抑制することが可能となる。
【００３３】
［第３の実施の形態］
次に、図４および図５を参照して、本発明の第３の実施の形態にかかる導波路型光干渉計について説明する。図４は、第３の実施の形態にかかる導波路型光干渉計（マッハツェンダ干渉構造）の回路構成例である。図５は、第３の実施の形態にかかる導波路型光干渉計（マッハツェンダ干渉構造）の他の回路構成例である。
【００３４】
図１に示した導波路型光干渉計１００において、光導波路部１０３の光導波路Ｐの本数が２本の場合、この系はいわゆるマッハツェンダ干渉計となるが、この場合でも前述した第１の実施の形態で述べた議論はそのまま適用できる。
【００３５】
即ち、図４に示すように、導波路型光干渉計（マッハツェンダ干渉構造）３００には、主な機能部として、２本の入力導波路３０１から入力された光を２つに分岐して出力する光分岐部３０２と、光分岐部３０２で分岐された光を、それぞれ長さの異なる２本の光導波路Ｐ１，Ｐ２を介して出力する光導波路部３０３と、光導波路部３０３の光導波路Ｐ１，Ｐ２から入力された光を結合して２本の出口導波路３０５へ出力する光結合部３０４とが設けられている。なお、図４において、石英系導波路は灰色で示されており、シリコン導波路は黒色で示されている。
【００３６】
そして、図１と同様に、光導波路部３０３の光導波路Ｐ１，Ｐ２を石英系導波路３１１，３１３とシリコン導波路３１２とからそれぞれ構成し、前述した式（６）の関係で示されるように、中心波長に対する温度依存性が各光導波路Ｐにおいて互いに等しくなるよう、これら石英系導波路３１１，３１３とシリコン導波路３１２の長さを調整する。
これにより、導波路型光干渉計（マッハツェンダ干渉構造）３００において、温度調整装置を必要とすることなく、中心波長の温度依存性を抑制することが可能となる。
【００３７】
これと同様に、図３に示した導波路型光干渉計２００において、光導波路部２０３の光導波路Ｐの本数が２本の場合、この系はいわゆるマッハツェンダ干渉計となるが、この場合でも前述した第２の実施の形態で述べた議論はそのまま適用できる。
【００３８】
即ち、図５に示すように、導波路型光干渉計（マッハツェンダ干渉構造）４００には、主な機能部として、２本の入力導波路４０１から入力された光を２つに分岐して出力する光分岐部４０２と、光分岐部４０２で分岐された光を、それぞれ長さの異なる２本の光導波路Ｐ１，Ｐ２を介して出力する光導波路部４０３と、光導波路部４０３の光導波路Ｐ１，Ｐ２から入力された光を結合して２本の出口導波路４０５へ出力する光結合部４０４とが設けられている。なお、図５において、石英系導波路は灰色で示されており、シリコン導波路は黒色で示されている。
【００３９】
そして、図３と同様に、光導波路部４０３の光導波路Ｐ１，Ｐ２をシリコン導波路４１１，４１３と石英系導波路４１２とからそれぞれ構成し、前述した式（６）の関係で示されるように、中心波長に対する温度依存性が各光導波路Ｐにおいて互いに等しくなるよう、これらシリコン導波路４１１，４１３と石英系導波路４１２の長さを調整する。
これにより、導波路型光干渉計（マッハツェンダ干渉構造）４００において、温度調整装置を必要とすることなく、中心波長の温度依存性を抑制することが可能となる。
【００４０】
［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。
【００４１】
また、前述した図１および図４では、光導波路部の各光導波路を、２本の石英系導波路でシリコン導波路を挟んだ構造で構成した場合を例として説明したが、このうち２本の石英系導波路のそれぞれの長さについては、両者の長さを等しくしてもよく、異なる長さとしてもよい。また、光導波路部の各光導波路には、少なくとも石英系導波路とシリコン導波路が含まれていれば、前述した効果が得られるため、例えば、石英系導波路とシリコン導波路とを１本ずつ用いてもよい。
【００４２】
同様に、前述した図３および図５では、光導波路部の各光導波路を、２本のシリコン導波路で石英系導波路を挟んだ構造で構成した場合を例として説明したが、このうち２本のシリコン導波路のそれぞれの長さについては、両者の長さを等しくしてもよく、異なる長さとしてもよい。また、光導波路部の各光導波路には、少なくとも石英系導波路とシリコン導波路が含まれていれば、前述した効果が得られるため、例えば、石英系導波路とシリコン導波路とを１本ずつ用いてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１００，２００，３００，４００…導波路型光干渉計、１０１，２０１，３０１，４０１…入力導波路、１０２，２０２，３０２，４０２…光分岐部、１０３，２０３，３０３，４０３…光導波路部、１０４，２０４，３０４，４０４…光結合部、１０５，２０５，３０５，４０５…出口導波路、１１１，１１３，２１２，３１１，３１３，４１２…石英系導波路、１１２，２１１，２１３，３１２，４１１，４１３…シリコン導波路、Ｐ，Ｐ１，Ｐ２，〜，Ｐｉ，Ｐ（ｉ＋１），〜，Ｐｎ…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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