(57)【要約】      （修正有）【課題】波長合分波器及び光集積回路装置に関し、小型サイズで、且つ、スペクトル平坦性の改善及び低クロストーク特性を両立する。【解決手段】３つの１×２光カプラ２１〜２３を用いたカスケード接続の光分岐部１と、３つのリング共振器５１〜５３により遅延量を順に２ΔＬ、０、ΔＬ、及び、３ΔＬに設定した４つの遅延導波路４１〜４３を備えた光遅延部３と、２組の１対の２×２光カプラ７１〜７４を交差接続した光結合部６とを設ける。【選択図】図１
2015094915.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を同振幅に分岐する第１乃至第３の１×２光カプラを有し、前記第１の１×２光カプラの分岐側の第１のポートに接続する第２の１×２光カプラと、前記第１の１×２光カプラの分岐側の第２のポートに接続する第３の１×２光カプラとを備えて４等分岐する光分岐部と、
前記第２のカプラの分岐側の第１のポートに接続する第１の遅延導波路と、前記第２のカプラの分岐側の第２のポートに接続する第２の遅延導波路と、前記第３のカプラの分岐側の第１のポートに接続する第３の遅延導波路と、前記第３のカプラの分岐側の第２のポートに接続する第４の遅延導波路とがこの順序で配列するように設けられ、前記第１の遅延導波路乃至前記第４の遅延導波路の遅延量が、遅延干渉部の中心波長、回折次数及び導波路の実効屈折率で決まる所定の遅延量ΔＬに対して順に２ΔＬ、０、ΔＬ、及び、３ΔＬになるように前記第１の遅延導波路乃至前記第３の遅延導波路に結合された同一構造のリング共振器を備え、前記第３の遅延導波路の位相シフトΔθが０．５πラジアンであり、且つ、前記第４の遅延導波路のシフト量−Δθが−０．５πラジアンである光遅延部と、
前記第１の遅延導波路及び前記第２の遅延導波路に接続されて光信号を同振幅に分岐・結合する第１の２×２光カプラと、前記第３の遅延導波路及び前記第４の遅延導波路に接続されて光信号を同振幅に分岐・結合する第２の２×２光カプラと、前記第１の２×２光カプラの他端側の第１のポートに接続する第１の光導波路と前記第２の２×２光カプラの他端側の第１のポートに接続する第３の光導波路とを接続する光信号を同振幅に分岐・結合する第３の２×２光カプラと、前記第１の２×２光カプラの他端側の第２のポートに接続する第２の光導波路と前記第２の２×２光カプラの他端側の第２のポートに接続する第４の光導波路とを接続する光信号を同振幅に分岐・結合する第４の２×２光カプラとを備え、前記第２の光導波路と前記第３の光導波路が互いに交差した交差部を有し、前記第２の光導波路及び前記第３の光導波路の前記第１の光導波路及び前記第４の光導波路に対する位相シフトΔφが０．２５πラジアンである光結合部とを
有することを特徴とする波長合分波器。
【請求項２】
前記各リング共振器は、前記波長合分波器のチャネル間隔ごとに共振ピーク有する周回長を備え、前記各遅延導波路に基づく干渉計の中心波長と前記各リング共振器の中心波長がπラジアン異なることを特徴とする請求項１に記載の波長合分波器。
【請求項３】
前記第１の光導波路と前記第４の光導波路が、前記交差部の形状と同じ形状の位相ズレ調整領域を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波長合分波器。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の波長合分波器と、
前記波長合分波器の第３の２×２光カプラ及び前記第４の２×２光カプラの他端側の４つのポートに接続され互いに異なる波長で発振する第１乃至第４のレーザ素子を有する光源アレイと、
前記光源アレイからの各波長の信号光を変調する光変調器アレイと
を備えたことを特徴とする光集積回路装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の波長合分波器と、
前記第３の２×２光カプラ及び前記第４の２×２光カプラの他端側の４つのポートに接続された４つの受光素子を有する受光器アレイと
を備えたことを特徴とする光集積回路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は波長合分波器及び光集積回路装置に関するものであり、例えば、光通信や光インターコネクトで用いる波長合分波器及び光集積回路装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、大容量インターコネクトに向けた有望な技術として、Ｓｉフォトニクスが注目を集めている。Ｓｉフォトニクス技術の主な利点は光配線の断面積が数百ｎｍ角であるため、高密度集積が可能になることが挙げられる。また、Ｓｉチップ内で波長多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）により、光配線１本当りの伝送容量向上が期待されている。
【０００３】
Ｓｉチップ内でＷＤＭ光信号を送受信するためには、ＷＤＭ光信号を必要に応じて合波（ＭＵＸ）・分波（ＤｅＭＵＸ）させるＳｉ細線導波路型波長合分波器が必要となる。そのＳｉ細線導波路型波長合分波器に求められる条件としては、スペクトル平坦性、低損失性、低チャネル間偏差、低クロストーク（ＸＴ）等が挙げられる。
【０００４】
これらの条件を満たす有力な候補として遅延マッハ・ツェンダ干渉計（ＤＭＺＩ：Ｄｅｌａｙｅｄ  Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）を多段にカスケード接続した波長合分波器が報告されている。米国インテル社では、ＤＭＺＩ型合分波器を報告している（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
ここで、図１３を参照して、従来技術を用いて形成した1×４ＣｈのＤＭＺＩ型波長合分波器を説明する。図１３は従来例１の1×４ＣｈのＤＭＺＩ型波長合分波器の概念的平面図であり、光路長の異なる２本のアーム導波路８１１，８２１を対向させて入力端側と出力端側に光カプラ８３１、８４１を形成してＤＭＺＩ８０１を形成する。光路長の長いアーム導波路８２１は、光路長の短いアーム導波路８１１に対して遅延導波路となる。
【０００６】
第１ステージのＤＭＺＩ８０１に対して２つのＤＭＺＩ８０２，８０３をカスケード接続した２段ステージのＤＭＺＩで波長合分波器を構成する。この時、２つのＤＭＺＩ８０２，８０３の光路長差は、第１のＤＭＺＩ８０１の光路長差の１／２とするとともに、一方のＤＭＺＩ８０３に位相を制御する位相シフタ８５３を設けて第２のＤＭＺＩ８０２に対してπ／２(＝λ／４)の位相差を形成する。
【０００７】
図１４は、従来例１の1×４ＣｈのＤＭＺＩ型波長合分波器の合分波スペクトルであり、チャネル間隔を８００ＧＨｚと仮定している。図に示すように、スペクトル形状は放物線関数的になり、ＷＤＭ光信号の波長ズレ或いは合分波器の温度変化が生じると、合分波器における挿入損失が増大するほか、ＷＤＭ光信号間におけるクロストークＸＴも劣化するという問題がある。
【０００８】
そこで、このような問題を解消するために、米国ＩＢＭ社は、光路長差の異なるＤＭＺＩを冗長に接続し、各ＤＭＺＩにおける光結合率ｋｉを適正化し、スペクトル平坦性を得ることを提案している（例えば、非特許文献２参照）。ここで、図１５を参照して、提案による改良型波長合分波器を説明する。
【０００９】
図１５は、提案による改良型の従来例２の波長合分波器の概念的平面図であり、第１ステージのＤＭＺＩ８０１に対して、光路長差が第１ステージのＤＭＺＩ８０１より大きく且つ互いに位相差を有する２つのＤＭＺＩ８０４，８０５を直列に接続する。また、第２ステージの２つのＤＭＺＩ８０２，８０３にもそれぞれ光路長差が第２ステージのＤＭＺＩ８０２，８０３より大きく且つ互いに位相差を有する２つのＤＭＺＩ８０６，８０７を直列に接続する。なお、ＤＭＺＩ８０５及びＤＭＺＩ８０７には位相シフタ８５５，８５７が形成されている。ここで、各光カプラ８３１〜８３３，８４１〜８４７の光結合係数ｋを所定の値に設定している。
【００１０】
図１６は、改良型の従来例２の波長合分波器の合分波スペクトルであり、ここでもチャネル間隔を８００ＧＨｚと仮定している。図示に示すように、挿入損を犠牲にしないまま、スペクトル形状を平坦化することができ、ＸＴの低減も可能になる。
【００１１】
図１７は、さらなる改良型の従来例３の波長合分波器の概念的平面図であり、図の説明は省略するが、２段ステージのＤＭＺＩに対して３段目のステージのＤＭＺＩを接続するとともに、冗長構成を採用したものである。
【００１２】
図１８は、さらなる改良型の従来例３の波長合分波器の合分波スペクトルであり、ここでもチャネル間隔を８００ＧＨｚと仮定している。図示に示すように、この場合も、挿入損を犠牲にしないまま、スペクトル形状を平坦化することができ、ＸＴの低減も可能になる。
【００１３】
表１は、実施例１乃至実施例３の波長合分波器のスペクトル平坦性とクロストーク特性を纏めたものである。スペクトル平坦性の性能指数として、−１ｄＢと−１０ｄＢに対する透過帯域幅の比率（ＳＦ：ｓｈａｐｅ ｆａｃｔｏｒ）と、−１ｄＢと−２０ｄＢに対する透過帯域幅の比率ＳＦを用いる。
【表１】
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【００１４】
表１に示すように、従来例２の場合には、従来例１と比較して光干渉計の数が増大するものの、ＳＦが大幅に改善し、ＸＴも低減する。また、従来例３の場合には、ＸＴをさらに向上させることができる。但し、スペクトル平坦性の劣化は免れず、ＳＦとＸＴはトレードオフの関係にある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｄ. Ｗ. Ｋｉｍ, Ａ. Ｂａｒｋａｉ, Ｒ. Ｊｏｎｅｓ, Ｎ. Ｅｌｅｋ, Ｈ. Ｎｇｕｙｅｎ, ａｎｄ Ａ. Ｌｉｕ, “Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｅｉｇｈｔ−ｃｈａｎｎｅｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｃａｓｃａｄｅ Ｏｆ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ,” Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ３３（５）, ５３０−５３２，２００８
【非特許文献２】Ｆ. Ｈｏｒｓｔ, “Ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ,” ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２０１１ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ, ＯＷＪ３，２０１０．０３
【非特許文献３】Ｓ. Ａｓｓｅｆａ他, “Ａ ９０ｎｍ ＣＭＯＳ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｎａｎｏ−ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ２５Ｇｂｐｓ ＷＤＭ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ （Ｌａｔｅ Ｎｅｗｓ）,” ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２０１２ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｍｅｅｔｉｎｇ, ３３．８，２０１２．１２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかし、従来例２の場合には、従来例１と比べて合分波スペクトルの平坦性（ＳＦ）を大幅に改善できるものの、クロストークＸＴの改善は―６ｄＢ程度にとどまるという問題がある。
【００１７】
一方、従来例３の場合には、従来例１と比べてクロストークＸＴを大幅に低減できるものの、スペクトル平坦性（ＳＦ）が劣化するトレードオフの関係を避けられないという問題がある。さらに、光干渉計の数の増加に伴う制御点数の増大や素子サイズの増大が問題となる。
【００１８】
したがって、波長合分波器及び光集積回路装置において、小型サイズで、且つ、スペクトル平坦性の改善及び低クロストーク特性を両立することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
開示する一観点からは、光信号を同振幅に分岐する第１乃至第３の１×２光カプラを有し、前記第１の１×２光カプラの分岐側の第１のポートに接続する第２の１×２光カプラと、前記第１の１×２光カプラの分岐側の第２のポートに接続する第３の１×２光カプラとを備えて４等分岐する光分岐部と、前記第２のカプラの分岐側の第１のポートに接続する第１の遅延導波路と、前記第２のカプラの分岐側の第２のポートに接続する第２の遅延導波路と、前記第３のカプラの分岐側の第１のポートに接続する第３の遅延導波路と、前記第３のカプラの分岐側の第２のポートに接続する第４の遅延導波路とがこの順序で配列するように設けられ、前記第１の遅延導波路乃至前記第４の遅延導波路の遅延量が、遅延干渉部の中心波長、回折次数及び導波路の実効屈折率で決まる順に２ΔＬ、０、ΔＬ、及び、３ΔＬになるように前記第１の遅延導波路乃至前記第３の遅延導波路に結合された同一構造のリング共振器を備え、前記第３の遅延導波路の位相シフトΔθが０．５πラジアンであり、且つ、前記第４の遅延導波路のシフト量−Δθが−０．５πラジアンである光遅延部と、前記第１の遅延導波路及び前記第２の遅延導波路に接続されて光信号を同振幅に分岐・結合する第１の２×２光カプラと、前記第３の遅延導波路及び前記第４の遅延導波路に接続されて光信号を同振幅に分岐・結合する第２の２×２光カプラと、前記第１の２×２光カプラの他端側の第１のポートに接続する第１の光導波路と前記第２の２×２光カプラの他端側の第１のポートに接続する第３の光導波路とを接続する光信号を同振幅に分岐・結合する第３の２×２光カプラと、前記第１の２×２光カプラの他端側の第２のポートに接続する第２の光導波路と前記第２の２×２光カプラの他端側の第２のポートに接続する第４の光導波路とを接続する光信号を同振幅に分岐・結合する第４の２×２光カプラとを備え、前記第２の光導波路と前記第３の光導波路が互いに交差した交差部を有し、前記第２の光導波路及び前記第３の光導波路の前記第１の光導波路及び前記第４の光導波路に対する位相シフトΔφが０．２５πラジアンである光結合部とを有することを特徴とする波長合分波器が提供される。
【００２０】
また、開示する別の観点からは、上述の波長合分波器と、前記波長合分波器の第３の２×２光カプラ及び前記第４の２×２光カプラの他端側の４つのポートに接続され互いに異なる波長で発振する第１乃至第４のレーザ素子を有する光源アレイと、前記光源アレイからの各波長の信号光を変調する光変調器アレイとを備えたことを特徴とする光集積回路装置が提供される。
【００２１】
また、開示するさらに別の観点からは、上述の波長合分波器と、前記第３の２×２光カプラ及び前記第４の２×２光カプラの他端側の４つのポートに接続された４つの受光素子を有する受光器アレイとを備えたことを特徴とする光集積回路装置が提供される。
【発明の効果】
【００２２】
開示の波長合分波器及び光集積回路装置によれば、小型サイズで、且つ、スペクトル平坦性の改善及び低クロストーク特性を両立することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態の波長合分波器の概念的平面図である。
【図２】本発明の実施の形態の波長合分波器の合分波スペクトルである。
【図３】本発明の実施例１の波長合分波器の概念的平面図である。
【図４】本発明の実施例１の波長合分波器を構成する光導波路構造の説明図である。
【図５】光分岐部を構成する１×２光カプラの概念的平面図である。
【図６】光遅延部の概念的平面図である。
【図７】本発明の実施例１の波長合分波器の合分波スペクトルの説明図である。
【図８】波長合分波器の単一チャネルにおける透過スペクトル及びクロストークの説明図である。
【図９】本発明の実施例２の波長合分波器の概念的平面図である。
【図１０】本発明の実施例３の光集積回路装置の概念的平面図である。
【図１１】本発明の実施例４の光集積回路装置の概念的平面図である。
【図１２】本発明の実施例５の光集積回路装置の概念的平面図である。
【図１３】従来例１の1×４ＣｈのＤＭＺＩ型波長合分波器の概念的平面図である。
【図１４】従来例１の1×４ＣｈのＤＭＺＩ型波長合分波器の合分波スペクトルである。
【図１５】提案による改良型の従来例２の波長合分波器の概念的平面図である。
【図１６】改良型の従来例２の波長合分波器の合分波スペクトルである。
【図１７】さらなる改良型の従来例３の波長合分波器の概念的平面図である。
【図１８】さらなる改良型の従来例３の波長合分波器の合分波スペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態の波長合分波器を説明する。図１は本発明の実施の形態の波長合分波器の概念的平面図である。本発明の波長合分波器は光分岐部１と、光遅延部３と、光結合部６とを有している。
【００２５】
光分岐部１は、光信号を同振幅に分岐する第１乃至第３の１×２光カプラ２１〜２３をカスケード接続して形成する。即ち、第１の１×２光カプラ２１の分岐側の第１のポート２１２に第２の１×２光カプラ２２のポート２２１を接続し、第１の１×２光カプラ２１の分岐側の第２のポート２１３に第３の１×２光カプラ２３のポート２３１を接続して４等分岐とする。
【００２６】
光遅延部３は、ポート２２２に接続する第１の遅延導波路４１とポート２２３に接続する第２の遅延導波路４２と、ポート２３２に接続する第３の遅延導波路４３と、ポート２３３に接続する第４の遅延導波路４４とを備えている。第１の遅延導波路４１乃至前記第４の遅延導波路４４の遅延量が、所定の遅延量ΔＬに対して順に２ΔＬ、０、ΔＬ、及び、３ΔＬになるように第１の遅延導波路４１乃至第３の遅延導波路４３にリング共振器（ＭＲＲ： ｍｉｃｒｏｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）５１〜５３を結合する。各リング共振器５１〜５３はリング周回長が同じ同一構造とし、各遅延導波路４１〜４３に対する結合効率を変える。
【００２７】
この時、各リング共振器５１〜５３は、アンチレゾナンス条件を満たすようにする。即ち、各リング共振器５１〜５３の中心波長が、リング共振器５１〜５３を含まない遅延干渉計の中心波長からπラジアン位相シフトする条件を満たすようにする。また、各リング共振器５１〜５３は、遅延長が増大するほど、各遅延導波路４１〜４３と各リング共振器５１〜５３との結合する割合が減少するように設定する。即ち、各リング共振器５１〜５３は各遅延導波路４１〜４３に対して位相調整器として作用する。なお、遅延導波路４３の位相シフトΔθは０．５πラジアンであり、遅延導波路４４のシフト量−Δθは−０．５πラジアンである。
【００２８】
また、光結合部６は、２組の１対の光信号を同振幅に分岐・結合する２×２光カプラ７１〜７４を交差接続してＢａｎｙａｎ構成の光結合部６とする。第１の２×２光カプラ７１の他端側の第１のポート７１２に接続する第１の光導波路８１を第３の２×２光カプラ７３のポート７３１に接続する。第２の２×２光カプラ８２の他端側の第１のポート７２３に接続する第３の光導波路８３を第３の２×２光カプラ７３のポート８３２に接続する。また、第１の２×２光カプラ７１の他端側の第２のポート７１４に接続する第２の光導波路８２を第４の２×２光カプラ７４のポート７４１に接続する。第２の２×２光カプラ７２の他端側の第２のポート７２４に接続する第４の光導波路８４を第４の２×２光カプラ７４のポート７４２に接続する。この時、第１の光導波路８１乃至第４の光導波路８４は、位相シフト（Δφ＝−０．２５πラジアン）される領域を除き、同じ光学長にする。
【００２９】
シリコン基板上に絶縁膜を介して単結晶シリコンコア層を設けたＳＯＩ基板を用いて波長合分波器を形成すると、第２の光導波路８２と第３の光導波路８３が互いに交差した交差部９１が形成される。このような交差部９１は交差部のない第１の光導波路８１及び第４の光導波路８４に対して位相ズレをもたらす。そこで、このような位相ズレを調整するために、第１の光導波路８１及び第４の光導波路８４にも、交差部９１と同じ構造の位相調整用の交差部を設けることが望ましい。
【００３０】
図２は、本発明の実施の形態の波長合分波器の合分波スペクトルであり、チャネル間隔を８００ＧＨｚと仮定している。図から明らかなように、従来例１乃至従来例３に比べてスペクトルの平坦性に優れ、且つ、クロストークＸＴの少ない特性となっている。
【００３１】
このような波長合分波器を用いて送信器側の光集積回路を形成するためには、波長合分波器の第３の２×２光カプラ７３及び第４の２×２光カプラ７４の４つのポート７３３，７３４，７４３，７４４に異なる波長で発振するレーザ素子を有する光源アレイを接続する。それと同時に、光源アレイからの各波長の信号光を変調する光変調器アレイを設ける。
【００３２】
この場合の光変調器アレイは、４つのマッハ・ツェンダ型変調器を備えた光変調器アレイを光源アレイと第３の２×２光カプラ７３及び第４の光カプラ７４との間に挿入しても良い。或いは、光変調器アレイは、第１の１×２光カプラ２１の結合側のポート２１１に光導波路を接続し、この光導波路の延在方向に互いにリング長の異なる４つのリング共振器を配置した縦型の光変調器アレイを用いても良い。
【実施例１】
【００３３】
次に、図３乃至図８を参照して、本発明の実施例１の波長合分波器を説明する。図３は、本発明の実施例１の波長合分波器の概念的平面図である。本発明の波長合分波器は光分岐部１０と、光遅延部２０と、光結合部３０とを有している。
【００３４】
図４は、本発明の実施例１の波長合分波器を構成する光導波路構造の説明図であり、ここでは、Ｓｉフォトニクス技術を用いてＳＯＩ基板上に形成するが、ここでは、一つの導波路部の断面構造で説明する。まず、図４（ａ）に示すように、シリコン基板５１上にＳｉＯ２膜５２を介して厚さが０．２２μｍの単結晶シリコン層５３を設けたＳＯＩ基板を準備する。
【００３５】
次いで、図４（ｂ）に示すように、露光プロセスによって幅が０．４８μｍの導波路ストライプ構造のレジストパターン５４を形成し、ドライエッチングを行ってコア層５５を形成してチャネル導波路構とする。次いで、図４（ｃ）に示すように、レジストパターン５４を除去したのち、全面にＳｉＯ２膜５６を堆積することによってクラッド層とする。
【００３６】
なお、図４（ｄ）に示すように、コア層５５を形成する際に、０．０５μｍの高さのスラブ部５７を残すことによりリブ導波路構造としても良い。このように、コア層５５の両脇にスラブ部５７を形成しておくと、電流注入により導波路の屈折率を変えることができる。
【００３７】
再び、図３に戻ると、光分岐部１０は、光信号を同位相・同振幅で分岐する１×２光カプラ１１１の分岐側のポート１２１２，１２１３に同じ構造の１×２光カプラ１１２，１１３をカスケード接続して４等分岐とする。
【００３８】
図５は、光分岐部を構成する１×２光カプラの概念的平面図であり、図５（ａ）はＭＭＩ（ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）型の１×２光カプラの概念的平面図である。長さがＬＭＭＩで幅がＷＭＭＩの多モード干渉領域１３１の結合側の中央部に幅がＷＭＭＩ／４のポート１２１１を設けるとともに、分岐側に幅がＷＭＭＩ／４のポート１２１２、１２１３をＷＭＭＩ／４の間隔で配置する。
【００３９】
図５（ｂ）は、Ｙ分岐型の１×２光カプラの概念的平面図であり、ポート１２１１から直接２本のポート１２１２,１２１３をＹ字型に分岐したものである。１×２ＭＭＩ光カプラの代わりにこのようなＹ分岐型１×２光カプラを用いても良い。
【００４０】
再び、図３に戻ると、光遅延部２０は、１×２光カプラ１１２，１１３の各ポート１２２２〜１２３３に接続する４本の遅延導波路２１１〜２１４と、３本の遅延導波路２１１〜２１３と光結合するリング共振器２２１〜２２３からなる。ここで、４本の遅延導波路２１１〜２１４の遅延量が、所定の値ΔＬに対して順に２ΔＬ、０、ΔＬ、及び、３ΔＬになるように各リング共振器２２１〜２２３のリング周回長を同じにして、間隙（Ｇａｐ）により結合効率を変えて遅延量を設定する。
【００４１】
図６は、光遅延部の概念的平面図であり、遅延導波路２１１（〜２１３）それとＧａｐを介して光結合するリング共振器２２１（〜２２３）らなる。なお、ここでは、一つの組み合わせのみ図示する。リング共振器２２１（〜２２３）は長さがＬＳＴの直線導波路と半径がＲの半円状導波路からなり、全てのリング共振器２２１〜２２３において同一の構造とする。
【００４２】
この時、各リング共振器２２１〜２２３は、アンチレゾナンス条件、即ち、リング共振器２２１〜２２３の中心波長が、リング共振器２２１〜２２３を含まない遅延干渉計の中心波長からπラジアン位相シフトする条件を満たすようにする。伝播する信号光のチャネル間隔は光遅延部２０の遅延長やリング共振器２２１〜２２３の周回長で制御する。
【００４３】
ここで、チャネル間隔に対する光遅延部２０の関係を説明する。上述のように、遅延長はΔＬで定義される離散的な値をもって、上部から下部に向かってそれぞれ２ΔＬ、０、ΔＬ、３ΔＬの相対関係を満足するように設定する。この場合、λＤＭＺＩ、ｍ及びＮＥｑをそれぞれ遅延干渉部の中心波長、回折次数およびＳｉ細線導波路の実効屈折率とすると、ΔＬは下記の式（１）により定まる。
ΔＬ＝（λＤＭＺＩ×ｍ）／ＮＥｑ    （１）
【００４４】
また、チャネル間隔Δνは、ＮＧｒをＳｉ細線導波路の群屈折率とすると、下記の式（２）で定まる。
Δν＝λＤＭＺＩ２／（４ＮＧｒ×ΔＬ）        （２）
また、光遅延部におけるリング共振器ＭＲＲの関係は、λＭＲＲ−１、λＭＲＲ−２及びλＭＲＲ−３をそれぞれリング共振器２２１〜２２３の中心波長とすると下記の式（３）及び式（４）で表される。
λＭＲＲ−１＝λＭＲＲ−２＝λＭＲＲ−３＝λＤＭＺＩ−０．５Δν    （３）
〜２ｋＭＲＲ−１＝ｋＭＲＲ−２＝〜１．２ｋＭＲＲ−３＝０．９５      （４）
この式（３）に示す関係がアンチレゾナンス条件である。一方、式（４）におけるｋＭＲＲ−１、ｋＭＲＲ−２及びｋＭＲＲ−３はそれぞれリング共振器２２１〜２２３における光結合率である。
【００４５】
ここで、式（３）及び式（４）の関係を満たすために、遅延導波路２１１〜２１３とリング共振器２２１〜２２３の間のＧａｐ１〜Ｇａｐ３を調整する。例えば、リング共振器２２１〜２２３において、結合導波路長ＬＳＴおよびリングの曲率半径Ｒをそれぞれ１５．５７μｍ及び９．０８μｍにすれば式（３）に示す関係を満たすことができる。また、リング共振器２２１〜２２３のＧａｐ１〜Ｇａｐ３をそれぞれ２５０ｎｍ、１８８ｎｍ及び２００ｎｍに設定することにより、式（４）に示す関係を満たすことができる。
【００４６】
また、光結合部３０は、光信号を同振幅に分岐・結合する４つの２×２光カプラ３１１〜３１４を交差接続してＢａｎｙａｎ構成の光結合部３０とする。即ち、遅延導波路２１１，２１２に接続する２×２光カプラ３１１の他端側のポート３２１３に接続する光導波路３３１を２×２光カプラ３１３のポート３２３１に接続する。２×２光カプラ３１１の他端側のポート３２１４に接続する光導波路３３２をクロス配置した２×２光カプラ３１４のポート３２４１に接続する。一方、遅延導波路２１３，２１４に接続する２×２光カプラ３１２の他端側のポート３２２３に接続する光導波路３３３をクロス配置した２×２光カプラ３１３のポート３２３２に接続する。２×２光カプラ３１２の他端側のポート３２２４に接続する光導波路３３４を２×２光カプラ３１４のポート３２４２に接続する。なお、２×２光カプラ３１１〜３１４としては、図５に示した１×２光カプラの結合側のポートを、分岐側と同じ構成の２本のポートに置き換えたものを用いれば良い。
【００４７】
この時、光導波路３３２と光導波路３３３は同一平面上で交差するので交差部３４１が形成される。光導波路３３１〜３３４は位相シフト（Δφ）領域を除いて同じ光路長に設定する。この時、位相シフト量Δθ及びΔφについては、下記の式（５）及び（６）の関係を満たすように設定する。
Δθ＝０．５π〔ｒａｄｉａｎ〕         （５）
Δφ＝０．２５π〔ｒａｄｉａｎ〕       （６）
チャネル間隔Δν＝８００ＧＨｚの特性を想定すると、図４（ｃ）に示すチャネル型Ｓｉ細線導波路構造を用いれば、ΔＬ〜１１μｍとなる。また、０．２５π〔ｒａｄｉａｎ〕に相当する位相変化をもたらすための導波路長は〜８５ｎｍになるので、光導波路３３２及び光導波路３３３の長さを光導波路３３１及び光導波路３３４より８５ｎｍだけ長くすれば良い。なお、これらの位相関係は相対的に成立すれば良いため、例えば、光導波路３３１及び光導波路３３４の長さを光導波路３３２及び光導波路３３３より８５ｎｍだけ短くしても所望の関係を満たすことができる。
【００４８】
図７は、本発明の実施例１の波長合分波器の合分波スペクトルの説明図であり、図７（ａ）は、本発明の実施例１の波長合分波器の合分波スペクトルである。また、図７（ｂ）及び図７（ｃ）は各遅延干渉計の遅延量を実施例１と異なるように設定した場合のスペクトルである。ここでは、本発明の実施例１において２ΔＬ、０、ΔＬ及び３ΔＬの関係を保つように、３つのリング共振器２２１〜２２３の光結合率ｋＭＲＲ-１〜ｋＭＲＲ-３を０．４８，０．９５，０．８０に設定している。一方、図７（ｂ）及び図７（ｃ）の場合には、それぞれ、０．４８，０．８０，０．９５と０．９５，０．８０，０．４８のように順序を変えて設定している。
【００４９】
図７（ａ）に示すように、本発明の実施例１の場合には、平坦性に優れ且つ低クロストークの良好な合分波スペクトル特性が得られる。一方、図７（ｂ）或いは図７（ｃ）の場合には、式（４）の条件からのズレ量が大きくなるにつれて、スペクトル平坦性およびクロストークが顕著に劣化することが分かる。
【００５０】
この実施例１における特性は、
ＳＦ（−１ｄＢ／−１０ｄＢ）：０．８７
ＳＦ（−１ｄＢ／−２０ｄＢ）：０．７６
ＸＴ：＜−３３ｄＢ
であり、ＳＦが著しく向上するとともに―３０ｄＢ以下の低ＸＴも確保できることが分かる。
【００５１】
図８は、波長合分波器の単一チャネルにおける透過スペクトルおよびクロストークＸＴの説明図であり、ここでは、上述の従来例２及び従来例３の特性も併せて表示する。ここで、クロストークは１×４Ｃｈ波長合分波器において、残り三つのチャネル成分に対する影響を考慮した結果である。尚、チャネル間隔は８００ＧＨｚと仮定している。図８（ａ）は透過スペクトルの説明図であり、本発明の実施例１の波長合分波器の透過帯域におけるスペクトル平坦性が最も優れることが分かる。
【００５２】
一方、光リンクにおけるパワーペナルティの観点からは、クロストークＸＴを低く抑えることが重要である。図８（ｂ）はクロストーク特性図であり、本発明の実施例１の波長合分波器においては、広波長帯域わたって低いＸＴが得られている。例えば、ＸＴを−１５ｄＢ以下に抑えることを想定した場合、本発明の実施例１の波長合分波器の場合、図に示すように、おおよそ５．３ｎｍに相当する波長帯域を活用することができる。これは、チャネル間隔の８０％以上に相当する。なお、図８（ａ）においては、図８（ｂ）に示すＸＴ＝−１５ｄＢに設定した場合に対応する波長位置を縦の破線で示している。
【００５３】
一方、従来例２の場合には、有効な波長帯域は、ＸＴに律速され、おおよそ４ｎｍになる。また、従来例３の場合には、本発明の実施例１と同様に、ＸＴを低く抑えることができるものの、スペクトル平坦性が劣るため、有効な波長帯域は、過剰損の増大に律速され、従来例２と同様におおよそ４ｎｍになる。これはチャネル間隔の６０％程度に相当する。つまり、本発明の実施例１の波長合分波器は、チャネル間隔設定によらず、有効な動作波長帯域を２０％以上改善することが可能になる。
【実施例２】
【００５４】
次に、図９を参照して、本発明の実施例２の波長合分波器を説明するが、光結合部の構成が異なる以外は上記の実施例１の波長合分波器と同じである。図９は、本発明の実施例２の波長合分波器の概念的平面図であり、光分岐部１０及び光遅延部２０は上記の実施例１と全く同じである。
【００５５】
光結合部３０においては、光導波路３３１及び光導波路３３４にも交差部３４１と同じ構造の位相調整用の交差部３４２，３４３を設ける。即ち、必然的に形成される交差部３４１が存在すると、交差部がない光導波路３３１及び光導波路３３４に対して位相ズレが発生する。そこで、光導波路３３１及び光導波路３３４にも交差部３４１と同じ構造の交差部３４２，３４３を設けることによって、この位相ズレを解消したものである。この場合、位相ズレの調整が不要になるので、作製歩留りを向上することが可能になる。
【実施例３】
【００５６】
次に、図１０を参照して、本発明の実施例３の光集積回路装置を説明する。図１０は本発明の実施例３の光集積回路装置の概念的平面図であり、上述の図３に示した１×４Ｃｈの波長合分波器の分岐側に光変調器アレイと光源アレイを接続したものである。
【００５７】
図に示すように、２×２光カプラ３１３，３１４の４つのポート３２３３，３２３４，３２４３，３２４４にマッハ・ツェンダ変調器４１１〜４１４を設けた光変調器アレイ４０を接続する。また、光変調器アレイ４０の前段に互いに異なる波長で発振する半導体レーザ素子４３１〜４３４を有する光源アレイ４２を接続する。
【００５８】
この実施例３の光集積回路装置においては、光源アレイ４２からの互いに波長の異なるレーザ光をマッハ・ツェンダ変調器４１１〜４１４で変調したのち、波長合分波器で合波してポート１２１１から出力する。この時、透過スペクトルの平坦性及びクロストーク特性の優れた波長合分波器により合波しているので、多少光信号の波長ズレや温度変動により波長合分波器の動作波長シフトが生じても、低損失を保持し、波長多重信号の光送信を行うことができる。
【実施例４】
【００５９】
次に、図１１を参照して、本発明の実施例４の光集積回路装置を説明する。図１１は本発明の実施例４の光集積回路装置の概念的平面図であり、上述の図３に示した１×４Ｃｈの波長合分波器の分岐側に光源アレイを接続するとともに、合波側にリング変調器を接続したものである。
【００６０】
図に示すように、２×２光カプラ３１３，３１４の４つのポート３２３３，３２３４，３２４３，３２４４に互いに異なる波長で発振する半導体レーザ素子４３１〜４３４を有する光源アレイ４２を接続する。一方、１×２光カプラ１１１の合波側のポート１２１１に４段構造のリング変調器４４１〜４４４を接続したものである。なお、このリング変調器４４１〜４４４は、ポート１２１１に接続する一本の出力導波路に沿って４つの互いに周回長の異なるリング共振器を結合させたものである。この場合も、透過スペクトルの平坦性及びクロストーク特性の優れた波長合分波器により合波しているので、多少光信号の波長ズレや温度変動により波長合分波器の動作波長シフトが生じても、低損失を保持し、波長多重信号の光送信を行うことができる。
【実施例５】
【００６１】
次に、図１２を参照して、本発明の実施例５の光集積回路装置を説明する。図１２は本発明の実施例５の光集積回路装置の概念的平面図であり、上述の図３に示した１×４Ｃｈの波長合分波器の分岐側に受光器アレイ４５を接続したものである。
【００６２】
図に示すように、２×２光カプラ３１３，３１４の４つのポート３２３３，３２３４，３２４３，３２４４に４つの受光器４６１〜４６４を有する受光器アレイ４５を接続したものである。１×２光カプラ１１１の合波側のポート１２１１から入力した信号光は、波長合分波器によって分波されて４つの受光器４６１〜４６４に入力されて電気信号に変換される。
【００６３】
この場合も、透過スペクトルの平坦性及びクロストーク特性の優れた波長合分波器により分波しているので、多少光信号の波長ズレや温度変動により波長合分波器の動作波長シフトが生じても、低損失および低ＸＴを保持することができる。その結果、受光器により検波する際、光リンクにおけるパワーペナルティを最低限に抑えることができる。
【００６４】
このような、受信型の光集積回路装置と、図１０或いは図１１に示した発信型の光集積回路装置を組み合わせることによって、小型サイズの光集積青路装置により低損失性および低ＸＴに優れた光通信システムを構築することができる。
【００６５】
ここで、実施例１乃至実施例５を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）光信号を同振幅に分岐する第１乃至第３の１×２光カプラを有し、前記第１の１×２光カプラの分岐側の第１のポートに接続する第２の１×２光カプラと、前記第１の１×２光カプラの分岐側の第２のポートに接続する第３の１×２光カプラとを備えて４等分岐する光分岐部と、前記第２のカプラの分岐側の第１のポートに接続する第１の遅延導波路と、前記第２のカプラの分岐側の第２のポートに接続する第２の遅延導波路と、前記第３のカプラの分岐側の第１のポートに接続する第３の遅延導波路と、前記第３のカプラの分岐側の第２のポートに接続する第４の遅延導波路とがこの順序で配列するように設けられ、前記第１の遅延導波路乃至前記第４の遅延導波路の遅延量が、遅延干渉部の中心波長、回折次数及び導波路の実効屈折率で決まる所定の遅延量ΔＬに対して順に２ΔＬ、０、ΔＬ、及び、３ΔＬになるように前記第１の遅延導波路乃至前記第３の遅延導波路に結合された同一構造のリング共振器を備え、前記第３の遅延導波路の位相シフトΔθが０．５πラジアンであり、且つ、前記第４の遅延導波路のシフト量−Δθが−０．５πラジアンである光遅延部と、前記第１の遅延導波路及び前記第２の遅延導波路に接続されて光信号を同振幅に分岐・結合する第１の２×２光カプラと、前記第３の遅延導波路及び前記第４の遅延導波路に接続されて光信号を同振幅に分岐・結合する第２の２×２光カプラと、前記第１の２×２光カプラの他端側の第１のポートに接続する第１の光導波路と前記第２の２×２光カプラの他端側の第１のポートに接続する第３の光導波路とを接続する光信号を同振幅に分岐・結合する第３の２×２光カプラと、前記第１の２×２光カプラの他端側の第２のポートに接続する第２の光導波路と前記第２の２×２光カプラの他端側の第２のポートに接続する第４の光導波路とを接続する光信号を同振幅に分岐・結合する第４の２×２光カプラとを備え、前記第２の光導波路と前記第３の光導波路が互いに交差した交差部を有し、前記第２の光導波路及び前記第３の光導波路の前記第１の光導波路及び前記第４の光導波路に対する位相シフトΔφが０．２５πラジアンである光結合部とを有することを特徴とする波長合分波器。
（付記２）前記各リング共振器は、前記波長合分波器のチャネル間隔ごとに共振ピーク有する周回長を備え、前記各遅延導波路に基づく干渉計の中心波長と前記各リング共振器の中心波長がπラジアン異なることを特徴とする付記１に記載の波長合分波器。
（付記３）前記各リング共振器は、遅延長が増大するほど、前記各遅延導波路と前記各リング共振器との結合する割合が減少することを特徴とする付記１または付記２に記載の波長合分波器。
（付記４）前記第１の光導波路と前記第４の光導波路が、前記交差部の形状と同じ形状の位相ズレ調整領域を有することを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載の波長合分波器。
（付記５）前記光分岐部のコア層、前記光遅延部のコア層、前記光結合部のコア層が、シリコン基板上に絶縁膜を介して形成された単結晶シリコンコア層からなることを特徴とする付記１乃至付記４のいずれか１に記載の波長合分波器。
（付記６）付記１乃至付記５のいずれか１に記載の波長合分波器と、前記波長合分波器の第３の２×２光カプラ及び前記第４の２×２光カプラの他端側の４つのポートに接続され互いに異なる波長で発振する第１乃至第４のレーザ素子を有する光源アレイと、前記光源アレイからの各波長の信号光を変調する光変調器アレイとを備えたことを特徴とする光集積回路装置。
（付記７）前記光変調器アレイが、前記光源アレイと前記第３の２×２光カプラ及び前記第４の光カプラとの間に挿入されていることを特徴とする付記６に記載の光集積回路装置。
（付記８）前記光変調器アレイが、前記第１の１×２光カプラの結合側のポートに接続された光導波路と、前記光導波路の延在方向に配置された互いにリング長の異なる４つのリング共振器とからなることを特徴とする付記６に記載の光集積回路装置。
（付記９）付記１乃至付記５のいずれか１に記載の波長合分波器と、前記波長合分波器の第３の２×２光カプラ及び前記第４の２×２光カプラの他端側の４つのポートに接続された４つの受光素子を有する受光器アレイとを備えたことを特徴とする光集積回路装置。
【符号の説明】
【００６６】
１，１０  光分岐部
２１〜２３，１１１〜１１３  １×２光カプラ
２１１〜２３３，１２１1〜１２３３  ポート
３，２０  光遅延部
４１〜４４，２１１〜２１４  遅延導波路
５１〜５３，２２１〜２２３  リング共振器
６，３０  光結合部
７１〜７４，３１１〜３１４  ２×２光カプラ
７１１〜７４４，３２１１〜３２４４  ポート
８１〜８４，３３１〜３３４  光導波路
９１，３４１〜３４３  交差部
１３１  多モード干渉領域
４０  光変調器アレイ
４１１〜４１４  マッハ・ツェンダ変調器
４２  光源アレイ  
４３１〜４３４  半導体レーザ素子
４４１〜４４４  リング変調器
４５  受光器アレイ
４６１〜４６４  受光器
５１  シリコン基板
５２  ＳｉＯ２膜
５３  単結晶シリコン層
５４  レジストパターン
５５  コア層
５６  ＳｉＯ２膜
５７  スラブ部
８０１〜８０７  ＤＭＺＩ
８１１〜８１７，８２１〜８２７  アーム導波路
８３１〜８３７，８４１〜８４７  光カプラ
８５３，８５５，８５７  位相シフタ
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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