(57)【要約】      （修正有）【課題】TM波成分とTE波成分の相互偏波変換が可能である導波路型の光波長フィルタ、及びこの光波長フィルタを利用して形成される合分波素子を提供する。【解決手段】第1光波長フィルタ11aと、第2光波長フィルタ11bと、偏波分岐フィルタ21と、波長分離器22を備え、第1光波長フィルタ11aの一端に偏波分岐フィルタ21の第3入出力ポート21cが接続され、第2光波長フィルタ11bの一端に偏波分岐フィルタ21の第4入出力ポート21dが接続され、波長分離器の第3入出力ポート22cに偏波分岐フィルタ21の第1入出力ポート21aが接続されている。偏波分岐フィルタ21の第2入出力ポート21bに基本伝搬モード導波路の一端が接続され他端に受光素子が設置され、波長分離器22の第2入出力ポート22bには送信光信号を入力可能とされ、波長分離器22の第1入出力ポート22aはOLTに向けた光伝送路に接続されている。【選択図】図３
2015152721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波方向に垂直な方向に切断した断面形状が台形である導波路の両側面に、当該導波路の導波方向に垂直な方向に等間隔で溝を形成してなる回折格子を備え、
前記導波路の両側面にそれぞれ形成される溝が互いに反対称に形成されている
ことを特徴とする光波長フィルタ。
【請求項２】
請求項1に記載の光波長フィルタであって、
当該光波長フィルタへの入力光あるいは出力光の少なくとも一方が基本伝搬モードであることを前提に、TE波に対するブラッグ反射波長とTM波に対するブラッグ反射波長とが等しく設定されている
ことを特徴とする光波長フィルタ。
【請求項３】
請求項1に記載の光波長フィルタであって、
当該光波長フィルタへの入力光あるいは出力光の少なくとも一方が高次伝搬モードであることを前提に、TE波に対するブラッグ反射波長とTM波に対するブラッグ反射波長とが等しく設定されている
ことを特徴とする光波長フィルタ。
【請求項４】
第1光波長フィルタと、
第2光波長フィルタと、
第1〜第4入出力ポートを備える偏波分岐フィルタと
を備え、
前記偏波分岐フィルタの第1〜第4入出力ポートは、当該偏波分岐フィルタの中心を直交x-yデカルト座標面の中心に配置し、当該第1〜第4入出力ポートからの入出力方向をy軸方向に平行となるように設定したとして、前記第1入出力ポートは第3象限、前記第2入出力ポートは第4象限、前記第3入出力ポートは第2象限、前記第4入出力ポートは第1象限に配置されており、
前記第1光波長フィルタの一端に前記偏波分岐フィルタの前記第3入出力ポートが接続され、前記第2光波長フィルタの一端に前記偏波分岐フィルタの前記第4入出力ポートが接続されており、
前記第1光波長フィルタ及び第2光波長フィルタが、請求項2又は3に記載の光波長フィルタである
ことを特徴とする合分波素子。
【請求項５】
第1光波長フィルタと、
第2光波長フィルタと、
第1〜第4入出力ポートを備える偏波分岐フィルタと、
第1〜第3入出力ポートを備える波長分離器と
を備え、
前記偏波分岐フィルタの第1〜第4入出力ポートは、当該偏波分岐フィルタの中心を直交x-yデカルト座標面の中心に配置し、当該第1〜第4入出力ポートからの入出力方向をy軸方向に平行となるように設定したとして、前記第1入出力ポートは第3象限、前記第2入出力ポートは第4象限、前記第3入出力ポートは第2象限、前記第4入出力ポートは第1象限に配置されており、
前記波長分離器の第1〜第3入出力ポートは、当該波長分離器の中心を直交x-yデカルト座標面の中心に配置し、当該第1〜第3入出力ポートからの入出力方向をy軸方向に平行となるように設定したとして、前記第1入出力ポートは第3象限、前記第2入出力ポートは第2象限、前記第3入出力ポートは第1象限に配置されており、
前記第1光波長フィルタの一端に前記偏波分岐フィルタの前記第3入出力ポートが接続され、前記第2光波長フィルタの一端に前記偏波分岐フィルタの前記第4入出力ポートが接続され、
前記波長分離器の前記第3入出力ポートに前記偏波分岐フィルタの前記第1入出力ポートが接続されており、
前記第１光波長フィルタ及び第２光波長フィルタが、請求項2又は3に記載の光波長フィルタである
ことを特徴とする合分波素子。
【請求項６】
前記波長分離器は、多モード干渉(Multi Mode Interference)型導波路であることを特徴とする請求項5に記載の合分波素子。
【請求項７】
前記波長分離器の前記第2入出力ポートに基本伝搬モード導波路が接続されていることを特徴とする請求項4〜6のいずれか一項に記載の合分波素子。
【請求項８】
前記偏波分岐フィルタは、方向性結合器であることを特徴とする請求項4〜7のいずれか一項に記載の合分波素子。
【請求項９】
前記偏波分岐フィルタは、マッハ-ツェンダ干渉器であることを特徴とする請求項4〜7のいずれか一項に記載の合分波素子。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光波長フィルタ、及び波長の相違に基づき光経路を切り換える波長選択性経路切換機能を有する合分波素子に関し、特に偏波無依存で波長選択を行う光波長フィルタ及びこの光波長フィルタを利用して構成される合分波素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、加入者系光アクセスシステムは、1つの局側光回線終端装置（OLT: Optical Line Terminal）と複数の加入者側光回線終端装置（ONU: Optical Network Unit）を、光ファイバ及びスターカプラを介して接続し、OLTを複数のONUが共有する、受動光ネットワーク（PON: Passive Optical Network）通信システムが主流となっている。この通信システムでは、OLTからONUへ向けた下り通信とONUからOLTに向けた上り通信とが相互に干渉し合わないように、下り通信に使われる光信号波長と上り通信に使われる光信号波長とを違えている。
【０００３】
したがって、下り通信と上り通信のそれぞれに使われる互いに波長の異なる光信号を分波し、かつ合波するために合分波素子が必要である。OLTやONUにおいて波長の異なる光信号を分波しかつ合波する機能を実現させるために、一般に、光波長フィルタ、フォトダイオード(PD：Photodiode)、レーザーダイオード(LD: Laser diode)が空間結合される。空間結合させるためには、光波長フィルタ、PD、LD間で光軸を合わせるためのアライメント作業が必要となるが、この光軸合わせのための作業を不要とする、導波路を利用して構成される光波長フィルタが開発されている。また、この光波長フィルタを形成するに当たり、小型化と量産性に優れることから、シリコン系素材を導波路材料として用いる技術が注目されている。(例えば、特許文献１〜５参照)。
【０００４】
加入者系光アクセスシステムで使用可能な光波長フィルタには、マッハ-ツェンダ干渉計を利用するもの、方向性光結合器を利用するもの、あるいは導波路型光回折格子を利用するもの等が知られている。シリコン導波路で構成されるマッハ-ツェンダ干渉計を利用する光波長フィルタは、多段に接続する構成としなければならないため、素子を小型化することが難しい。また、光波長フィルタとして方向性光結合器を利用する場合、方向性光結合器の素子長が数百μｍ程度になるので、この場合も素子を小型化するのが困難である。
【０００５】
そこで、シリコン基板を使って形成される導波路型光回折格子を利用した光波長フィルタも開示されている(非特許文献１参照)。また、多モード導波路におけるモード変換型の導波路型光回折格子を利用した光波長フィルタも開示されている(特許文献６参照)。あるいは、導波路型光回折格子と方向性光結合器を組み合わせて構成された光波長フィルタも開示されている(非特許文献２参照)。
【０００６】
導波路型光回折格子を利用する光波長フィルタは、ブラッグ反射率を十分大きくすれば、透過波長帯域での透過率を一定に保つことができる。そして、マッハ-ツェンダ干渉計を利用する光波長フィルタでは、素子構造部分を多段に接続しなければ実現できない単一波長光成分だけの選択機能が、導波路型光回折格子を利用する光波長フィルタでは、単一の素子構造部分で反射することで実現されるという特徴がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４，８６０，２９４号明細書
【特許文献２】米国特許第５，７６４，８２６号明細書
【特許文献３】米国特許第５，９６０，１３５号明細書
【特許文献４】米国特許第７，０７２，５４１号明細書
【特許文献５】特開平０８−１６３０２８号公報
【特許文献６】特開２００６−２３５３８０号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Hirohito Yamada, et. al,. “Si Photonic Wire Waveguide Devices” IEICE Transactions of Electronics vol. E90-C, No. 1, p. 59, January 2007.
【非特許文献２】Wei Shi, et. al,. “Add-Drop Filters in Silicon Grating-Assisted Asymmetric Couplers” Optical Fiber Communication Conference 2012 OTh3D.3.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の導波路型光回折格子を利用する光波長フィルタは、TM(Transverse Magnetic)波に対する回折効率(すなわちブラッグ反射率)がTE(Transverse Electric)波に対するブラッグ反射率より低いという、波長選択機能に偏波依存性がある。
【００１０】
このため、従来の導波路型光回折格子を利用する光波長フィルタには偏波依存性があり、TM波成分とTE波成分とが混在した光信号を処理する必要のある加入者系光アクセスシステムで利用するには対応しにくい欠点を有している。そこで、波長選択特性に偏波依存性が無い導波路型光回折格子を利用する光波長フィルタの実現が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明の発明者は、導波路型光回折格子の導波路の垂直断面形状を台形に形成すればTM波からTE波へ、あるいはTE波からTM波への相互偏波変換が可能であることを見出した。
【００１２】
また、導波路型光回折格子を利用する光波長フィルタにおける偏波依存性の原因の一つとして、上述したように、TM波に対するブラッグ反射率がTE波に対するブラッグ反射率よりも低いという性質にある。この発明の発明者は、波長分離機能を実現する光波長フィルタとして上述の垂直断面形状が台形である導波路型光回折格子を利用し、導波路の両側面にそれぞれ形成される溝を互いに反対称に形成すれば、この光波長フィルタへの入力光がTM波であってもTE波であっても、そのブラッグ反射率を等しくできることに想到した。
【００１３】
そこで、この発明の目的は、TM波成分とTE波成分の相互偏波変換が可能である導波路型の光波長フィルタ、及びこの光波長フィルタを利用して形成され、偏波無依存で光経路を切り換え可能である合分波素子を提供することにある。
【００１４】
この発明の要旨によれば、上述の目的を達成するため、導波路型の光波長フィルタ及び合分波素子は、以下の特徴を具えている。
【００１５】
この発明の導波路型光回折格子である光波長フィルタは、導波方向に垂直な方向に切断した断面形状が台形である導波路の両側面に、当該導波路の導波方向に垂直な方向に等間隔で溝を形成してなる回折格子を備え、導波路の両側面にそれぞれ形成される溝が互いに反対称に形成されている。
【００１６】
この発明の合分波素子は、この発明の光波長フィルタを2つ備え、一方の光波長フィルタを第1光波長フィルタとし、他方の光波長フィルタを第2光波長フィルタとし、この両光波長フィルタに加えて、第1〜第4入出力ポートを備える偏波分岐フィルタと、第1〜第3入出力ポートを備える波長分離器とを備えている。また、偏波分岐フィルタの第1〜第4入出力ポートが、当該偏波分岐フィルタの中心を直交x-yデカルト座標面の中心に配置し、当該第1〜第4入出力ポートからの入出力方向をy軸方向に平行となるように設定したとして、第1入出力ポートは第3象限、第2入出力ポートが第4象限、第3入出力ポートが第2象限、第4入出力ポートが第1象限に配置されている。また、波長分離器の第1〜第3入出力ポートは、当該波長分離器の中心を直交x-yデカルト座標面の中心に配置し、当該第1〜第3入出力ポートからの入出力方向をy軸方向に平行となるように設定したとして、第1入出力ポートが第3象限、第2入出力ポートが第2象限、第3入出力ポートが第1象限に配置されている。そして、このように偏波分岐フィルタ及び波長分離器が配置されている状態で、第1光波長フィルタの一端に偏波分岐フィルタの第3入出力ポートが接続され、第2光波長フィルタの一端に偏波分岐フィルタの第4入出力ポートが接続され、波長分離器の第3入出力ポートに偏波分岐フィルタの第1入出力ポートが接続されている。
【００１７】
この発明の合分波素子が利用される対象に対して、第1光波長フィルタと第2光波長フィルタとのブラッグ反射特性が、TE波及びTM波、並びに反射波長に対して一定の固有の条件を満たす場合には、波長分離器を省いて構成してもよい。すなわち、合分波素子を第1光波長フィルタ、第2光波長フィルタ、及び偏波分岐フィルタを備え、第1光波長フィルタの一端に偏波分岐フィルタの第3入出力ポートが接続され、第2光波長フィルタの一端に偏波分岐フィルタの第4入出力ポートが接続されている構成とする。
【発明の効果】
【００１８】
導波方向をZ軸方向にとり、Z軸方向に垂直な方向に切断した断面形状が上面と下面が平行である台形で、溝が反対称に形成されていれば、この導波路を伝搬するTE波及びTM波のZ軸方向成分を介して、TE波とTM波をカップリングさせることが可能であることが知られている。以後このようにZ軸方向に垂直な方向に切断した断面形状が非対称である導波路を非対称導波路ということもある。非対称導波路によれば、この非対称導波路を伝搬するTE波を伝搬中にTM波に変換し、あるいはTM波はTE波に変換することが可能である。
【００１９】
この発明の光波長フィルタによれば、断面形状が台形である導波路の両側面に、溝を互いに反対称に形成することによって回折格子が実現されている。断面形状が台形であることからX軸方向(導波路の厚み方向)に非対称となっており、溝が互いに反対称に形成されていることからY軸方向(導波路の幅方向)に非対称となっている。したがって、この発明の光波長フィルタにおいては、TM波成分とTE波成分の相互偏波変換が可能となり、その上、TM波として入力されてTE波としてブラッグ反射される場合であっても、また逆にTE波として入力されてTM波としてブラッグ反射される場合であっても、ブラッグ反射率を等しくすることが可能となる。すなわち、偏波無依存で波長分離が可能となる。
【００２０】
また、この発明の合分波素子によれば、この発明の光波長フィルタを2つ備えており、この光波長フィルタで波長分離が実現される。そして入力光あるいは出力光となる光がこの光波長フィルタを伝搬している間にTE波とTM波との相互の変換が実現される。
【００２１】
したがって、図を参照して後述するように、受信光信号を波長分離器の第1入出力ポートに入力させれば、第3入出力ポートから偏波分岐フィルタの第1入出力ポートに入力されて、偏波分岐フィルタでTE波成分とTM波成分に分離されて第1光波長フィルタと第2光波長フィルタに分岐されて入力される。第1光波長フィルタと第2光波長フィルタでそれぞれブラッグ反射された光は、それぞれ入力時とは異なる伝搬モードに変換されているので、偏波分岐フィルタにおいて、TE波成分とTM波成分は共に偏波分岐フィルタの第2入出力ポートから出力される。したがって、第1光波長フィルタと第2光波長フィルタにおけるTE波成分とTM波成分に対するブラッグ反射率は等しいので、波長分離器の第1入出力ポートから入力された受信光信号は、TE波成分とTM波成分は共に波長分離され、偏波無依存で偏波分岐フィルタの第2入出力ポートから出力される。
【００２２】
このように、この発明の合分波素子によれば、波長分離器の第1入出力ポートに入力された入力光は波長分離器で波長分離されて、偏波分岐フィルタで光経路を切り換えられて第2入出力ポートから出力される。そして、波長分離器の第1入出力ポートから入力される入力光とは異なる波長の入力光を波長分離器の第2入出力ポートから入力させた場合には、波長分離器の第1入出力ポートから出力される。
【００２３】
一方、波長分離器が省かれて構成された場合には、偏波分岐フィルタの第1入出力ポートに入力された入力光は、偏波分岐フィルタで光経路を切り換えられて第2入出力ポートから出力される。そして、偏波分岐フィルタの第3入出力ポートに入力される波長の異なるもう一方の入力光は、偏波分岐フィルタで光経路を切り換えられることなく第1入出力ポートから出力される。
【００２４】
以上に説明したようにこの波長分離器が形成されていれば、後述するように、この発明の合分波素子は、PON通信システムのONUの合分波素子として利用して好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第1の実施形態の光波長フィルタの実施形態の概略的構成を示す斜視図である。
【図２】第1の実施形態の光波長フィルタに基本伝搬モードのTE波成分とTM波成分とを含む入力光を入力しブラッグ反射されて出力される出力光、及びこの光波長フィルタを透過して出力される出力光の強度を調べた結果を示す図であり、(A)は底辺の内角θが85度である場合を示し、(B)は底辺の内角θが87度である場合を示している。
【図３】第1の実施形態の合分波素子の実施形態についての説明に供する図である。
【図４】第2の実施形態の光波長フィルタに基本伝搬モードのTE波成分とTM波成分とを含む入力光を入力しブラッグ反射されて出力される出力光、及び透過光の強度を調べた結果を示す図である。底辺の内角θは85度である。
【図５】第3の実施形態の光波長フィルタに基本伝搬モードのTE波成分とTM波成分とを含む入力光を入力しブラッグ反射されて出力される出力光、及び透過光の強度を調べた結果を示す図である。底辺の内角θは80度である。
【図６】第2の実施形態の合分波素子の実施形態についての説明に供する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図を参照して、この発明の実施形態につき説明する。なお、この発明の光波長フィルタの概略的構成を示す図1、及びこの発明の合分波素子の概略的構成を示す図3及び図6は、この発明の実施形態に係る一構成例を示すものであり、この発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の構成素材及び設計条件等を用いることがあるが、これら構成素材及び設計条件等は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。
【００２７】
＜第1の実施形態の光波長フィルタの構成＞
図1を参照して、第1の実施形態の光波長フィルタ10の実施形態について説明する。図1は、光波長フィルタ10の概略的構成を示す斜視図である。光波長フィルタ10は、導波方向に垂直な方向に切断した断面形状Sが台形である導波路コア2の両側面に、この導波路コア2の導波方向に垂直な方向に等間隔で溝4を形成してなる回折格子を備え、導波路コア2の両側面にそれぞれ形成される溝4が互いに反対称に形成されている。
【００２８】
光波長フィルタ10は、シリコン基板1上に、図1において灰色で示すグレーティング導波路パターン構造体が形成されることによって形成されている。そして、導波路パターン構造体を形成している導波路コア2をクラッド層3が囲っている。導波路コア２の底面とシリコン基板1の上面との距離を、1μｍ以上に設定すると、導波路コア２を伝搬する光がシリコン基板1に染み出すことを有効に防止できる。
【００２９】
グレーティング導波路パターン構造体は、導波路コア2の側面に周期的に溝4を設けることによって形成される。図1では、TM波がグレーティング導波路パターン構造体に入力されて（入力光5a）、ブラッグ反射されてTE波として出力される（出力光5b）様子を示している。あるいは、TE波がグレーティング導波路パターン構造体に入力されて（入力光5a）、ブラッグ反射されてTM波として出力される（出力光5b）様子を示していると想定してもよい。
【００３０】
ここで、説明の便宜上、光波長フィルタの構成要素として回折格子を具える導波路コア2を説明する場合はこれをグレーティング導波路と表記し、波長分離する機能を実現する光波長フィルタを説明する場合は導波路型光回折格子と表記する場合もあるが、共に実質的には同一のものを指し示している。
【００３１】
導波路を伝搬する光の伝搬ベクトルの方向は、導波路の中心方向とは一致せず、一定の角度で傾いている。したがって、導波路を伝搬するTE波及びTM波の振動方向を示す振幅ベクトルは、導波方向をZ軸方向にとった場合、X軸成分、Y軸成分の外にZ軸成分を有している。そして、Z軸方向に垂直な方向に切断した断面形状が非対称である導波路（非対称導波路。）によれば、この導波路を伝搬するTE波及びTM波のZ軸方向成分に対する等価屈折率を等しく設定することが可能となる。このため、TE波及びTM波のZ軸方向成分を介してTE波とTM波をカップリングさせることができる。
【００３２】
上述したように、光波長フィルタ10を構成するグレーティング導波路パターン構造体の特徴は、導波方向に垂直な方向に切断した断面形状Sが台形であることである。実際に使用される光波長フィルタとしては、断面形状Sは等脚台形であることが望ましい。これは、伝搬モードが対称あるいは反対称のいずれであってもその光電場強度は対称であることを考えると、断面形状Sが非等脚台形であった場合には、ブラッグ反射光の伝搬モードが対称あるいは反対称のいずれでもない複雑な伝搬モードとなり、波長フィルタとしての動作に伝搬モード依存性が発現することが想定されることによる。
【００３３】
ここで、光波長フィルタ10に入出力されるTE波、TM波の伝搬モードは基本伝搬モードであっても高次伝搬モードであってもよい。入力光あるいは出力光の少なくとも一方が基本伝搬モードであることを前提にした場合であっても、あるいは入力光あるいは出力光の少なくとも一方が高次伝搬モードであることを前提にした場合であっても、TE波に対するブラッグ反射波長とTM波に対するブラッグ反射波長とが等しく設定されていることが求められる。
【００３４】
導波路コア2の側面に溝4を設けて構成されるグレーティング導波路は、導波路コア2の上面あるいは下面に溝を設けて構成されるグレーティングと比べるとその形成の容易さが特長である。
【００３５】
グレーティング導波路を伝搬するTE波及びTM波のZ軸方向成分を介して、TE波とTM波をカップリングさせることができる位相整合条件(ブラッグ反射条件)は、以下に示す式(1)によって与えられる。
2π/Λ＝2π[n(e)＋n(m)]/λ        (1)
ここで、Λはグレーティングの周期、λはブラッグ反射される光の真空中での波長、n(e)、n(m)は、それぞれTE波、TM波に対する等価屈折率である。
【００３６】
光波長フィルタ10への入出力光に対するTE波、TM波に対する等価屈折率は、伝搬モードが基本伝搬モードあるか高次伝搬モードであるかによって異なるが、入出力光の伝搬モードに対応させて、式(1)が満足されるように設定すれば、偏波無依存で波長分離が可能である光波長フィルタが実現される。
【００３７】
グレーティング導波路パターン構造体の導波路幅等によって等価屈折率は調整可能であるので、等価屈折率n(e)、n(m) が式(1)を満たすように、導波路コア2の導波路幅を決定することが可能である。したがって、TE波に対してもTM波に対しても等しい波長のブラッグ反射光が得られる導波路コア2の導波路幅を設定すれば、図1に示す光波長フィルタ10を偏波無依存の光波長フィルタとして構成することができる。
【００３８】
＜第1の実施形態の光波長フィルタの動作＞
次に、シミュレーションによって、第1の実施形態の光波長フィルタの特性を検証したので、その結果について説明する。シミュレーションは、FDTD(Finite Difference Time Domain)法によって光電場の強度分布を求めることによって行った。シミュレーションを実行するに当たっては、グレーティング導波路の寸法、溝の周期等の値を適宜設定することによって、この発明の光波長フィルタの特性が判明しやすいようにした。
【００３９】
図2を参照して、第1の実施形態の光波長フィルタに基本伝搬モードのTE波成分とTM波成分とを含む入力光を入力し、ブラッグ反射されて出力される出力光、及び光波長フィルタを透過して出力される出力光の強度を調べた結果について説明する。
【００４０】
第1の実施形態の光波長フィルタのシミュレーションでは、導波路コア2の厚みは300 nm平均幅は300 nmであり、その屈折率は3.48、クラッド層3の屈折率は1.46とした。またグレーティング導波路の全長は100μm、グレーティング周期Λは370.26 nm、溝4の深さ(導波路への切り込み量)は30 nmであるとした。更に、導波方向に垂直な方向に切断した断面形状Sが等脚台形であり、この等脚台形の底辺の両端の内角θが85度及び87度である場合についてシミュレーションした。図2(A)は内角θが85度である場合を示し、図2(B)は内角θが87度である場合を示している。図2(A)、(B)共に、横軸は波長をμm単位で目盛って示し、縦軸は光強度をdB目盛で示してある。図2(A)において、実線でTM波のブラッグ反射光強度を示し、一点破線でTE波の透過光強度を示し、粗い点線でTE波のブラッグ反射光強度を示し、細かい点線でTM波の透過光強度を示している。また、図2(B)において、実線でTM波のブラッグ反射光強度を示し、一点破線でTE波の透過光強度を示しており、TE波のブラッグ反射光強度及びTM波の透過光強度については省略してある。
【００４１】
図2(A)、(B)共に、TM波のブラッグ反射光強度が、1.5μm近傍の波長で単峰性のピークを示している。このピーク波長の近傍の200 nm幅の範囲の波長において他のピークが存在しないので、複数の波長チャンネルで構成される波長多重通信システムにおいても第1の実施形態の光波長フィルタを利用することが可能である。また、TM波のブラッグ反射光強度及びTE波のブラッグ反射光強度のピーク位置を波長1.490μmに設定すれば、PON通信システムのONUの合分波素子に利用可能となる。
【００４２】
図2(B)に示すように、導波路の断面の等脚台形の底辺の両端の内角θが87度というほぼ垂直(90度)である場合にも、ブラッグ反射光ピークを示していることは、重要な点である。図2に示したような合分波素子を形成する場合、光波長フィルタと、偏波分岐フィルタ21及び波長分離器22を接合する導波路の一部は曲がり導波路とする必要があるが、この曲がり導波路は合分波素子の形成方法からその断面形状は光波長フィルタと同様に台形に形成される。曲がり導波路において光損失が最小となるのは導波路の断面の等脚台形の底辺の両端の内角θが90度である場合である。すなわち、第1の実施形態の光波長フィルタによれば、この内角θを87度というほぼ垂直に近い形状とすることが可能であることを示し、光損失の小さな合分波素子を形成することが可能であることを示している。
【００４３】
＜第1の実施形態の合分波素子及びその動作＞
図3を参照して、第1の実施形態の合分波素子の実施形態について説明する。図3では、説明の便宜のためにx-y直交座標軸系を設定してあるが、このx-y直交座標軸系は、上述の光波長フィルタの構成を説明するために設定したX-Y-Z直交座標軸系とは関連がない。
【００４４】
図3に示す合分波素子は、第1光波長フィルタ11aと、第2光波長フィルタ11bと、偏波分岐フィルタ21と、波長分離器22を備えている。第1光波長フィルタ11aと第2光波長フィルタ11bは第1の実施形態の光波長フィルタである。
【００４５】
偏波分岐フィルタ21は、第1入出力ポート21a、第2入出力ポート21b、第3入出力ポート21c、第4入出力ポート21dを備えており、波長分離器22は、第1入出力ポート22a、第2入出力ポート22b、第3入出力ポート22cを備えている。
【００４６】
偏波分岐フィルタ21の第1〜第4入出力ポート(21a〜21d)は、この偏波分岐フィルタ21の中心を直交x-yデカルト座標面の中心に配置し、当該第1〜第4入出力ポート(21a〜21d)からの入出力方向をy軸方向に平行となるように設定したとして、第1入出力ポート21aが第3象限(III)、第2入出力ポート21bが第4象限(IV)、第3入出力ポート21cが第2象限(II)、第4入出力ポート21dが第1象限(I)に配置されている。
【００４７】
また、波長分離器22の第1〜第3入出力ポート(22a〜22c)は、この波長分離器22の中心を直交x-yデカルト座標面の中心に配置し、当該第1〜第3入出力ポート(22a〜22c)からの入出力方向をy軸方向に平行となるように設定したとして、第1入出力ポート22aが第3象限(III)、第2入出力ポート22bが第2象限(II)、第3入出力ポート22cが第1象限(I)に配置されている。そして、このように偏波分岐フィルタ21及び波長分離器22が配置されている状態で、第1光波長フィルタ11aの一端に偏波分岐フィルタ21の第3入出力ポート21cが接続され、第2光波長フィルタ11bの一端に偏波分岐フィルタ21の第4入出力ポート21dが接続され、波長分離器22の第3入出力ポート22cに偏波分岐フィルタ21の第1入出力ポート21aが接続されている。
【００４８】
偏波分岐フィルタ21は方向性結合器を以って構成することが可能である。また、素子を小型化する必要が無い場合には、シリコン導波路で構成されるマッハ-ツェンダ干渉計を利用してもよい。図3を参照して説明する合分波素子の実施形態では、方向性結合器を利用して偏波分岐フィルタ21を構成している。
【００４９】
波長分離器22は、多モード干渉(Multi Mode Interference)型導波路を以って構成することが可能である。
【００５０】
この発明の合分波素子によれば、この発明の光波長フィルタを利用して第1光波長フィルタ11aと第2光波長フィルタ11bが構成され、この第1光波長フィルタ11aと第2光波長フィルタ11bによって波長分離が実現される。そして入力光あるいは出力光となる光がこの第1光波長フィルタ11aと第2光波長フィルタ11bを伝搬している間にTE波とTM波との相互の変換が実現される。
【００５１】
したがって、受信光信号を波長分離器22の第1入出力ポート22aに入力させれば、第3入出力ポート22cから偏波分岐フィルタ21の第1入出力ポート21aに入力されて、偏波分岐フィルタ21でTE波成分とTM波成分に分離されて第1光波長フィルタ11aと第2光波長フィルタ11bに分岐されて入力される。第1光波長フィルタ11aと第2光波長フィルタ11bでそれぞれブラッグ反射された光は、それぞれ入力時とは異なる伝搬モードに変換されているので、ブラッグ反射された光は、TE波成分とTM波成分の両者共に偏波分岐フィルタ21の第2入出力ポート21bから出力される。したがって、第1光波長フィルタ11aと第2光波長フィルタ11bにおけるTE波成分とTM波成分に対するブラッグ反射率は等しいので、波長分離器22の第1入出力ポート22aから入力された受信光信号は、TE波成分とTM波成分は共に波長分離され、偏波無依存で偏波分岐フィルタ21の第2入出力ポート21bから出力される。
【００５２】
このように、この発明の合分波素子によれば、波長分離器22の第1入出力ポート21aに入力された入力光は波長分離器22で波長分離されて、偏波分岐フィルタ21で光経路を切り換えられて第2入出力ポート21bから出力される。一方、波長分離器22の第1入出力ポート22aから入力される入力光とは異なる波長の入力光を波長分離器22の第2入出力ポート22bから入力させた場合には、波長分離器22の第1入出力ポート22aから出力されるようにこの波長分離器が形成されていれば、この発明の合分波素子は、PON通信システムのONUの合分波素子として利用して好適である。
【００５３】
すなわち、偏波分岐フィルタ21の第2入出力ポート21bに基本伝搬モード導波路の一端を接続してこの基本伝搬モード導波路の他端に受光素子を設置し、波長分離器22の第2入出力ポート22bに送信光信号を入力可能とし、波長分離器22の第1入出力ポート22aをOLTに向けた光伝送路に接続すると、PON通信システムのONUの合分波素子として利用できる。
【００５４】
ここで、具体的に通常のPON通信システムを想定して、OLTからONUへ向けた下り通信に使う光信号の波長を1.490μmとし、ONUからOLTに向けた上り通信に使う光信号の波長を1.310μmとした場合について説明する。ここでは、第1光波長フィルタ11a及び第2光波長フィルタ11bへの入力光と出力光が共に基本伝搬モードであることを前提に、TE波に対するブラッグ反射波長とTM波に対するブラッグ反射波長とが等しく波長1.490μmに設定されている。
【００５５】
この場合、波長分離器22の第2入出力ポート22bにはONUからOLTに向けた波長1.310μmの上り送信信号が入力され、偏波分岐フィルタ21の第2入出力ポート21bからはOLTからONUに向けた波長1.490μmの下り受信信号が出力されるように設定すればよい。
【００５６】
このように合分波素子が設定された場合は、ONUからOLTに向けた1.310μmの上り送信信号は、波長分離器22の第2入出力ポート22bに入力されて、波長分離器22を通過して第1入出力ポート22aからOLTに向けて出力される。
【００５７】
一方OLTからONUへ向けて送られてくる波長1.490μmの下り受信信号はPON通信システムの光伝送路を伝搬して、波長分離器22の第1入出力ポート22aに入力されて、波長分離器22の第3入出力ポート22cを経て偏波分岐フィルタ21の第1入出力ポート21aに入力される。そして、波長分離器22でTE波成分とTM波成分とが分離されて、TE波成分は第1光波長フィルタ11aに入力されてTM波成分に変換されてブラッグ反射され、TM波成分は第2光波長フィルタ11bに入力されてTE波成分に変換されてブラッグ反射される。TE波成分とTM波成分はいずれも偏波分岐フィルタ21を通過して偏波分岐フィルタ21の第2入出力ポート21bから出力されて、ONUが備える受光素子で受信される。このようにして、波長分離器22の第1入出力ポート22aに入力されるTE波成分とTM波成分とで構成される下り受信信号は、偏波無依存で波長分離されて偏波分岐フィルタ21の第2入出力ポート21bから出力されて受光素子で受信される。
【００５８】
＜第2の実施形態の光波長フィルタ及びその動作＞
ここで、光波長フィルタに再び着目し、上述の第1の実施形態の光波長フィルタとは異なる構成の第2の実施形態の光波長フィルタの実施形態を提示する。
【００５９】
この第2の実施形態の光波長フィルタは、導波路コア2の平均幅が500 nm、溝4の深さ(導波路への切り込み量)は100 nm、導波路の断面の等脚台形の底辺の両端の内角θが85度、グレーティング周期Λは292 nmに設定されている以外は、図2にその特性を示した第1の実施形態の光波長フィルタと同一である。
【００６０】
図4を参照して、第2の実施形態の光波長フィルタに基本伝搬モードのTE波成分とTM波成分とを含む入力光を入力し、ブラッグ反射されて出力される出力光及び透過光の強度を調べた結果について説明する。図4においても、横軸は波長をμm単位で目盛って示し、縦軸は光強度をdB目盛で示してある。そして、実線でTM波のブラッグ反射光強度を示し、一点破線でTE波の透過光強度を示し、粗い点線でTE波のブラッグ反射光強度を示し、細かい点線でTM波の透過光強度を示している。
【００６１】
図4に示すように、1.490μmでTE波及びTM波のブラッグ反射ピークを示している。また、1.280μm〜1.320μmの波長範囲でTE波成分とTM波成分とが共に透過されていることが読み取れる。このような特性を有する光波長フィルタを第1光波長フィルタ11aと第2光波長フィルタ11bとして利用すれば、波長帯域1.310μmと波長帯域1.490μmとを分離する波長分離器22を必要とせず、後述するように、図6に示す第2の実施形態の合分波素子をPON通信システムのONUの合分波素子の構成要素として利用することが可能となる。
【００６２】
＜第3の実施形態の光波長フィルタ及びその動作＞
更に、上述の第1及び第2の実施形態の光波長フィルタとは異なる構成の第3の実施形態の光波長フィルタの実施形態を提示する。
【００６３】
第3の実施形態の光波長フィルタは、導波路コア2の厚みは220 nm平均幅は400 nmであり、その屈折率は3.48、クラッド層3の屈折率は1.46である。またグレーティング導波路の全長は100μm、グレーティング周期Λは370.26 nm、溝4の深さ(導波路への切り込み量)は30 nmであるとした。導波方向に垂直な方向に切断した断面形状Sが等脚台形であり、この等脚台形の底辺の両端の内角θは80度である。
【００６４】
図5を参照して、第3の実施形態の光波長フィルタに基本伝搬モードのTE波成分とTM波成分とを含む入力光を入力し、ブラッグ反射されて出力される出力光及び透過光の強度についてシミュレーションによって調べた結果について説明する。図5においても、横軸は波長をμm単位で目盛って示し、縦軸は光強度をdB目盛で示してある。そして、実線でTM波のブラッグ反射光強度を示し、一点破線でTE波の透過光強度を示し、粗い点線でTE波のブラッグ反射光強度を示し、細かい点線でTM波の透過光強度を示している。
【００６５】
第3の実施形態の光波長フィルタにおいて、導波路コア2の厚みを220 nmに設定した理由は、第1光波長フィルタ11aに入力されるTE波の送信光信号の波長1.310μmにおけるファイバとの結合損失が小さくなるように配慮した結果である。TM波成分はこの波長においても第1光波長フィルタ11aによる1次伝搬モードのブラッグ反射成分がわずかに発生するが、送信信号の偏波とは直交する成分である上、第1光波長フィルタ11aへは単一モード導波路を介して送信光信号を入力する形態とすれば、1次伝搬モードのブラッグ反射成分は遮断されるので、送信光信号の入力側にブラッグ反射光成分が戻されることは防止される。送信光信号の入力側にブラッグ反射光成分が戻されると、一般に、送信光信号を生成する構成要素の一つであるLDの動作が不安定になる等の問題が生じることがある。
【００６６】
導波路コア2の厚みを300 nmに設定した場合(図2及び図4でその特性を示した光波長フィルタの場合)と比較して220nmに設定すると、TM波に対する等価屈折率が、TE波に対する等価屈折率より小さくなり、TM波の1次伝搬モードのブラッグ反射光強度の増加に伴うTM波の透過光成分の強度の極小位置が短波長側にずれている。すなわち、図2(A)、図5でTMと矢印でTM波の透過光成分の強度の極小位置を示してあるように、図2(A)ではこの極小位置がほぼ1.51μmであるのに対して、図5ではほぼ1.29μmとなっている。
【００６７】
＜第2の実施形態の合分波素子及びその動作＞
図6に示す第2の実施形態の合分波素子は、第1光波長フィルタ11aと第2光波長フィルタ11bと、偏波分岐フィルタ21とを備えている。第1光波長フィルタ11aと第2光波長フィルタ11bは、第2あるいは第3の実施形態の光波長フィルタである。
【００６８】
偏波分岐フィルタ21は、第1入出力ポート21a、第2入出力ポート21b、第3入出力ポート21c、第4入出力ポート21dを備えている。そして、偏波分岐フィルタ21の第1〜第4入出力ポート(21a〜21d)は、この偏波分岐フィルタ21の中心を直交x-yデカルト座標面の中心に配置し、当該第1〜第4入出力ポート(21a〜21d)からの入出力方向をy軸方向に平行となるように設定したとして、第1入出力ポート21aが第3象限(III)、第2入出力ポート21bが第4象限(IV)、第3入出力ポート21cが第2象限(II)、第4入出力ポート21dが第1象限(I)に配置されている。
【００６９】
このように第1光波長フィルタ11aと、第2光波長フィルタ11bと、偏波分岐フィルタ21とが配置されている状態で、第1光波長フィルタ11aの一端に偏波分岐フィルタ21の第3入出力ポート22cが接続され、第2光波長フィルタ11bの一端に偏波分岐フィルタ21の第4入出力ポート21dが接続されている。
【００７０】
図6に示す形態の合分波素子によれば、偏波分岐フィルタ21の第2入出力ポート21bに基本伝搬モード導波路の一端を接続してこの基本伝搬モード導波路の他端に受信信号を受信するための受光素子を設置し、偏波分岐フィルタ21の第1入出力ポート21aに基本伝搬モード導波路を接続してOLTに向けた光伝送路に接続し、第1光波長フィルタ11aに送信光信号を入力可能とすれば、PON通信システムのONUの合分波素子として利用できる。
【００７１】
この場合、偏波分岐フィルタ21の第1入出力ポート21aにはOLTからONUに向けた波長1.490μmの下り受信信号が入力され、第1光波長フィルタ11aにはONUからOLTに向けた波長1.310μmの上り送信信号が入力され、偏波分岐フィルタ21の第2入出力ポート21bからは、OLTからONUに向けた波長1.490μmの下り受信信号が出力される。このようにして、偏波分岐フィルタ21の第1入出力ポート21aに入力されるTE波成分とTM波成分とで構成される下り受信信号は、偏波無依存で波長分離されて偏波分岐フィルタ21の第2入出力ポート21bから下り受信信号が出力されて受光素子によって受信される。
【００７２】
導波路コア2の厚みを300 nmに代えて220 nmと薄く設定した第3の実施形態の光波長フィルタによれば、図5に示すように、波長がほぼ1.48μmにあるブラッグ反射波長のピークの近くに、TE波に対する損失が大きくなる波長帯域が存在する。したがって、第3の実施形態の光波長フィルタを波長多重通信システムに利用することは難しいが、PON通信システムのONUの合分波素子としては利用可能である。
【００７３】
＜光波長フィルタの製造方法＞
光波長フィルタを構成するグレーティング導波路パターン構造体は、例えば、SOI(Silicon on Insulator)基板を入手して、以下の工程によって形成できる。SOI基板は、広く市販品として入手可能であり、シリコン基板に酸化シリコン層、及びこの酸化シリコン層上に導波路の厚みの寸法に等しい厚みのシリコン層が形成されている。
【００７４】
SOI基板の酸化シリコン層上に形成されているシリコン層に対して、上述のグレーティング導波路パターン構造体パターンを残してドライエッチングを行い、他の部分のシリコン層を取り除く。このドライエッチング工程において、反応性の気体（エッチングガス）やイオン衝突させるエネルギー等に関する条件設定を適宜コントロールすることによって、導波路型光回折格子の導波路の垂直断面形状を台形に形成することが可能である。
【００７５】
例えば、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング(ICP-RIE: Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching)を利用して導波路型光回折格子を形成することができる。ICP-RIE装置によれば、プラズマを形成するアンテナ電力と、プラズマとSOI基板の間に電位差を形成するバイアス電力とを任意に換えてドライエッチングが行える。ここで、(アンテナ電力)/(バイアス電力)で定義されるエッチング電力比αを制御することによって、導波路の垂直断面形状を規定する底辺の内角θを自在に決定できることが知られている。
【００７６】
ドライエッチング工程に続き、エッチング処理で残された導波路パターンを導波構造のコアとして取り囲む酸化シリコン層を化学気相成長(CVD: Chemical Vapor Deposition)法等によって形成する。そして、酸化シリコン層の上面が平坦になるように研磨し、この酸化シリコン層を上部クラッド層として形成する。
【００７７】
クラッド層となる、導波路パターンを導波路構造のコアとして取り囲む酸化シリコン層は、SOI基板入手時にシリコン基板に既に形成されている酸化シリコン層を下部クラッド層とし、コアを形成した後にCVD法で形成される酸化シリコン層を上部クラッド層として構成される。
【００７８】
このように、この発明の光波長フィルタを構成するグレーティング導波路パターン構造体は、SOI基板を用いて周知のエッチング処理、CVD法等によって形成することが可能であるので、量産性に優れ低コストで簡便に形成することが可能である。
【符号の説明】
【００７９】
1：シリコン基板
2：導波路コア
3：クラッド層
4：溝
5a：光波長フィルタへの入力光
5b：光波長フィルタからの出力光
10：光波長フィルタ
11a：第1光波長フィルタ
11b：第2光波長フィルタ
21：偏波分岐フィルタ
21a：偏波分岐フィルタの第1入出力ポート
21b：偏波分岐フィルタの第2入出力ポート
21c：偏波分岐フィルタの第3入出力ポート
21d：偏波分岐フィルタの第4入出力ポート
22：波長分離器
22a：波長分離器の第1入出力ポート
22b：波長分離器の第2入出力ポート
22c：波長分離器の第3入出力ポート
【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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