(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分波器、合波器、第1導波路及び第2導波路を備えるマッハ・ツェンダ干渉器型光波長フィルタであって、
前記第1導波路及び前記第2導波路の少なくとも一方が、基本伝搬モード導波路と高次伝搬モード導波路が接合されて形成されており、
前記第1導波路と前記第2導波路の基本伝搬モード導波路間の経路長差をΔL、前記第1導波路と前記第2導波路間の高次伝搬モード導波路の経路長差をΔLa、前記基本伝搬モード導波路と前記高次伝搬モード導波路の温度、あるいは導波路幅・厚みの変化に基づく等価屈折率の変動をそれぞれΔn、Δnaとして、
ΔLa/ΔL＝Δn/Δna
で与えられる条件が満たされる
ことを特徴とする光波長フィルタ。
【請求項２】
前記基本伝搬モード導波路の等価屈折率をn、前記高次伝搬モード導波路の等価屈折率をna、として、
|1−naΔn/n(Δna)| ＞ 1
で与えられる条件が満たされる
ことを特徴とする請求項1に記載の光波長フィルタ。
【請求項３】
前記分波器は1入力2出力の分波器であり、前記合波器は、2入力1出力の合波器であって、
前記第1導波路及び前記第2導波路は、基本伝搬モード導波路、高次伝搬モード導波路、基本伝搬モード導波路がこの順に接合されており、
当該1入力2出力の分波器の2出力端の一方に前記第1導波路の入力端が接合され、他方に前記第2導波路の入力端が接合され、
前記2入力1出力の合波器の2入力端の一方に前記第1導波路の出力端が接合され、他方に前記第2導波路の出力端が接合されている
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光波長フィルタ。
【請求項４】
前記分波器は1入力2出力の分波器であり、前記合波器は、2入力1出力の合波器であって、
前記第1導波路及び前記第2導波路は、高次伝搬モード導波路、基本伝搬モード導波路、高次伝搬モード導波路がこの順に接合されており、
当該1入力2出力の分波器の2出力端の一方に前記第1導波路の入力端が接合され、他方に前記第2導波路の入力端が接合され、
前記2入力1出力の合波器の2入力端の一方に前記第1導波路の出力端が接合され、他方に前記第2導波路の出力端が接合されている
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光波長フィルタ。
【請求項５】
前記第1導波路と前記第2導波路に設けられる基本伝搬モード導波路と高次伝搬モード導波路との接合部において、
前記高次伝搬モード導波路の端に、当該高次伝搬モード導波路の伝搬モードの対称性を実現させるための副導波路が付加されている
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の光波長フィルタ。
【請求項６】
前記第1導波路と前記第2導波路に設けられる基本伝搬モード導波路と高次伝搬モード導波路との接合部において、
前記高次伝搬モード導波路が1次伝搬モード導波路であって、当該1次伝搬モード導波路の端にそれぞれ1本の前記副導波路が付加されている
ことを特徴とする請求項5に記載の光波長フィルタ。
【請求項７】
前記第1導波路と前記第2導波路に設けられる基本伝搬モード導波路と高次伝搬モード導波路との接合部において、
前記高次伝搬モード導波路が2次伝搬モード導波路であって、当該2次伝搬モード導波路の端にそれぞれ2本の前記副導波路が付加されている
ことを特徴とする請求項5に記載の光波長フィルタ。
【請求項８】
前記第1導波路と前記第2導波路に設けられる基本伝搬モード導波路と高次伝搬モード導波路との接合部分が、方向性結合器で形成されている
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の光波長フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、シリコン素材を利用して形成され、温度変化、あるいは波長揺らぎに対して動作特性変動が発生しにくい光波長フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン導波路コアをシリコンよりも低屈折率の素材（例えば、酸化シリコンあるいは窒化シリコン）のクラッド層で囲って形成される光導波路をシリコン導波路と呼ぶ。近年、小型化と量産性の観点から、光導波路のコアの素材にシリコンを利用した光波長フィルタが注目されている。
【０００３】
シリコン導波路を利用した光波長フィルタとして、マッハ・ツェンダ干渉器を利用するもの、方向性結合器を利用するもの、あるいは回折グレーティングを利用するもの等が知られている。また、入力光を多数の波長に分離する素子としてAWG（Arrayed waveguide gratings）等が知られている。これらの素子は、波長多重通信等の異なる複数の波長を用いた光通信技術において盛んに利用されている。
【０００４】
光通信技術等で利用するにあたっては、これらの素子には、導波路の寸法誤差に基づく特性のばらつき、あるいは温度変化に対する特性変動が十分に小さいことが求められている。そこで、この課題を解決する技術が複数の特許文献に開示されている（例えば、特許文献1〜19参照）。
【０００５】
また、ポリマークラッドを利用して、シリコンリング共振器の温度無依存を実現させたことが開示されている（非特許文献1参照）。ただし、ポリマー材料は長期使用において特性の経年変化が懸念される。ポリマークラッドを利用しないで温度無依存動作を実現させたマッハ・ツェンダ干渉計型の光波長フィルタも報告されている（非特許文献2参照）。この波長フィルタは、広幅の導波路と狭幅の導波路とを組み合わせることによって、温度変化によって生じる導波路間の位相差の変動を低減している。
【０００６】
本願の発明者らは、導波路幅の異なる領域を設けることによって、温度依存性の低減、導波路幅および厚みの寸法誤差に基づく特性のばらつきの低減を図ることが可能であることを、マッハ・ツェンダ干渉器型の光波長フィルタで検証してきた（特許文献20、21参照）。また、同様に導波路幅の異なる領域を設けることによって、波長に多少の変動が生じても導波路間の位相差にほとんど影響を与えない構造を実現させて、波長揺らぎに対してフィルタリングされた出力光の光強度の変化が発生しないようにする手法についても開示してきた（非特許文献3、特許文献22参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２０６３４８号公報
【特許文献２】特開２００７−３１６３３５号公報
【特許文献３】特開２００９−２３７２０５号公報
【特許文献４】特開２０００−０３５５２３号公報
【特許文献５】特開２００１−３５００３８号公報
【特許文献６】特開２００３−１４９４７８号公報
【特許文献７】特開２００５−１４８５８５号公報
【特許文献８】特開２００９−１８６６８８号公報
【特許文献９】特開２００１−０８３３３９号公報
【特許文献１０】特開２００１−２７２５５４号公報
【特許文献１１】特開２００１−３３７２３３号公報
【特許文献１２】特開２００１−３５６２２５号公報
【特許文献１３】特開２００２−０３１７２９号公報
【特許文献１４】特開２００２−３４１１６３号公報
【特許文献１５】特開２００３−１１４３５８号公報
【特許文献１６】特開２００６−２８４６３２号公報
【特許文献１７】特開２００７−０６５５６２号公報
【特許文献１８】特開２０００−３５２６３３号公報
【特許文献１９】特開２００１−０６６４４６号公報
【特許文献２０】特開２０１２−０４８０４９号公報
【特許文献２１】特開２０１１−１８０４２３号公報
【特許文献２２】特開２０１３−２１０４７４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Jie Teng, et. al,. “Athermal Silicon-on-insulator ring resonators by overlaying a polymer cladding on narrowed waveguides”Optics Express, vol.17, No.17, pp. 14627-14633 (2009)
【非特許文献２】Mutsunori Uenuma and Teruaki Motooka, “Temperature-independent silicon waveguide optical filter” Optics Letters, Vol. 34, No. 5, pp. 599-601 (2009)
【非特許文献３】H.Okayama, et. al,. “Mach-Zehnder filter using multiple Si waveguide structure sections for width error tolerance” Electronics Letters Vol. 48, No. 14, pp. 869-870 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の特許文献20〜22及び非特許文献3に開示された、これまで本願の発明者らが検討してきた光波長フィルタでは、導波路幅の異なる領域とされる導波路幅の広い部分であっても伝搬モードは基本伝搬モードとなるように設定されていた。このように伝搬モードが共に基本伝搬モードであれば、導波路幅が広い部分と狭い部分との接合部分に特別な構造を作り付けなくともこの接合部分で発生する光損失は、実用上問題となるほど大きくはない。
【００１０】
光波長フィルタにおいて、上述の導波路幅の異なる領域を設ける手法を発展させて、光波長の揺らぎ、温度変化あるいは寸法誤差に基づく素子特性への影響を更に効果的に低減するには、導波路幅の広い部分の伝搬モードを高次伝搬モードに設定するのがよい。ただし、このようにした場合、必要でないモードも励起され、導波路幅が広い部分（高次伝搬モード導波路部分）と狭い部分（基本伝搬モード導波路部分）との接合部分において発生する光損失が無視できない程度に大きくなるので、何らかの方法でこの光損失を小さくすることが必要となる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そこで、この発明の発明者は、導波路幅が広い部分と狭い部分との接合部分に、導波路幅の広い導波路の伝搬モードの対称性を実現させるための副導波路を付加すれば、接合部分での光損失が十分低減できることを見出した。また、この接合部分を方向性結合器構造とすることによっても光損失が十分低減できることを見出した。
【００１２】
したがって、この発明の目的は、基本伝搬モード導波路と高次伝搬モード導波路を組み合わせて、温度依存性の低減、導波路幅および厚みの寸法誤差に基づく特性のばらつきの低減を図ることが可能である光波長フィルタを提供することにある。
【００１３】
この発明の要旨によれば、上述の目的を達成するため、光波長フィルタは、以下の特徴を具えている。
【００１４】
この発明の光波長フィルタは、合波器、分波器、第1導波路及び第2導波路を備えるマッハ・ツェンダ干渉器型光波長フィルタであって、第1導波路及び第2導波路の少なくとも一方が、基本伝搬モード導波路と高次伝搬モード導波路が接合されて形成されていることを特徴とする。
【００１５】
この発明の光波長フィルタは、例えば、第1導波路、第2導波路、1入力2出力の分波器、及び2入力1出力の合波器を備えて構成される。第1導波路及び第2導波路は、基本伝搬モード導波路、高次伝搬モード導波路、基本伝搬モード導波路がこの順に接合されている。
【００１６】
そして、この1入力2出力の分波器の2出力端の一方に第1導波路の入力端が接合され、他方に第2導波路の入力端が接合されている。2入力1出力の合波器の2入力端の一方の入力端には、第1導波路の出力端が接合され、他方に第2導波路の出力端が接合されている。
【００１７】
第1導波路及び第2導波路を、高次伝搬モード導波路、基本伝搬モード導波路、高次伝搬モード導波路をこの順に接合して構成してもよい。
【００１８】
第1導波路と第2導波路に設けられる基本伝搬モード導波路と高次伝搬モード導波路との接合部において、高次伝搬モード導波路の両端部分に、当該高次伝搬モード導波路の伝搬モードの対称性を実現させるための副導波路を付加するのが好適である。
【００１９】
第1導波路と第2導波路に設けられる基本伝搬モード導波路と高次伝搬モード導波路との接合部分を、方向性結合器で形成するのも好適である。
【発明の効果】
【００２０】
マッハ・ツェンダ干渉器型光波長フィルタは、第1導波路と第2導波路間の光路長差に基づいて決まる波長が干渉によって選択されることによってフィルタとしての機能を実現している。この発明の光波長フィルタによれば、第1導波路及び第2導波路の少なくとも一方が、基本伝搬モード導波路と高次伝搬モード導波路を接合させて形成されている。このように第1導波路及び第2導波路を構成すると、温度変化、あるいは波長揺らぎ等による、第1導波路における位相変動と第2導波路における位相変動が互いに相殺され、両導波路間の位相差の変動をなくすことが可能となる。
【００２１】
この光路長差が温度変化、あるいは波長揺らぎに対して、第1導波路と第2導波路間の位相差に変動が発生しにくければ、素子の動作の安定化が図られる。この素子の動作の安定化の効果は、第1導波路及び第2導波路を共に基本伝搬モード導波路として、少なくとも一方に導波路幅の広い部分を設ける構成としても実現される。しかしながら、この導波路幅の広い部分を、高次伝搬モードが励起可能である高次伝搬モード導波路に置き換えれば、素子の動作の安定化をより効果的に実現することが可能となる。
【００２２】
また、高次伝搬モード導波路を利用した場合、基本伝搬モード導波路と高次伝搬モード導波路との接合部において、高次伝搬モード導波路の両端部分に、当該高次伝搬モード導波路の伝搬モードの対称性を実現させるための副導波路を付加することによって、高次伝搬モード導波路と基本伝搬モード導波路との接合部分において発生する光損失を小さくすることが可能である。
【００２３】
また、基本伝搬モード導波路と高次伝搬モード導波路との接合を方向性結合器で行うことによっても、基本伝搬モード導波路と高次伝搬モード導波路との接合部で発生する光損失を小さくすることが可能となる。
【００２４】
更に、副導波路あるいは方向性結合器を利用して高次伝搬モード導波路と基本伝搬モード導波路との接合部分を形成すると、第1導波路での光損失量と第2導波路での光損失量とを同一にすることが可能である。両導波路の光損失量が同一化されると、干渉器としての消光比が高くなり、より高性能な光波長フィルタが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】副導波路を備えたこの発明の第1の光波長フィルタ示す図であり、(A)は概略的基本構成の一例を示すブロック構成図であり、(B)は導波路部分の断面構造図である。
【図２】高次伝搬モード導波路の端に形成される副導波路に関する説明に供する図であり、(A)は1次伝搬モード導波路の端に形成される1本の副導波路を示し、(B)は2次伝搬モード導波路の端に形成される2本の副導波路を示す。
【図３】方向性結合器を備えたこの発明の第2の光波長フィルタの概略的基本構成の一例を示すブロック構成図である。
【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、光波長フィルタの概略的基本構成のブロック構成図である図1、図3、及び基本伝搬モード導波路（以後、0次伝搬モード導波路ということもある）と高次伝搬モード導波路（以後、1次伝搬モード導波路ということもある）との接合部分を示す図2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の光波長フィルタ＞
この発明の光波長フィルタの第1の実施形態である第1の光波長フィルタは、第1導波路及び第2導波路を備えるマッハ・ツェンダ干渉器型光波長フィルタである。そして、第1導波路及び第2導波路に含まれる、高次伝搬モード導波路を構成する1次伝搬モード導波路と基本伝搬モード導波路を構成する0次伝搬モード導波路との接合部分に副導波路を備えた形態の光波長フィルタである。図1を参照して、第1の光波長フィルタの基本構成について説明する。
【００２８】
第1導波路及び第2導波路を構成する1次伝搬モード導波路以外の部分は、0次伝搬モード導波路である。
【００２９】
図1(A)に示す第1の光波長フィルタは、入力側導波路17、出力側導波路18、1入力2出力の分波器16a、2入力1出力の合波器16b、第1導波路41、及び第2導波路42を備えている。1入力2出力の分波器16a、2入力1出力の合波器16bは、以後、単に分波器16a、合波器16bということもある。
【００３０】
第1導波路41は、1次伝搬モード導波路11を挟んでこの1次伝搬モード導波路11の一端に0次伝搬モード導波路12a、他端に0次伝搬モード導波路12bが接合され、0次伝搬モード導波路12a、1次伝搬モード導波路11、0次伝搬モード導波路12bの順に直列に結合されている。
【００３１】
第2導波路42は、1次伝搬モード導波路14を挟んでこの1次伝搬モード導波路14の一端に0次伝搬モード導波路15a、他端に0次伝搬モード導波路15bが、0次伝搬モード導波路15a、1次伝搬モード導波路14、0次伝搬モード導波路15bの順に直列に結合されている。
【００３２】
すなわち、第1の光波長フィルタは第1導波路41及び第2導波路42の双方に、高次伝搬モード導波路を構成する1次伝搬モード導波路を含んでいる。導波路の寸法及び温度変化に対して安定動作を実現するには、第1導波路41及び第2導波路42のいずれか一方に1次伝搬モード導波路が含まれる構成とすればよいが、双方に含ませた構成とするほうがより優れた効果が得られる。例えば、後述する素子長をあまり長くしなくても所定の動作安定性が確保できる。
【００３３】
第1導波路41を構成する、1次伝搬モード導波路11の伝搬モードの対称性を実現させるために付加される副導波路は、導波路長がδ1の副導波路22a及び22bである。また、第2導波路42を構成する、1次伝搬モード導波路14の伝搬モードの対称性を実現させるために付加される副導波路は、導波路長がδ1の副導波路23a及び23bである。δ1の長さは、数十μm程度とすればよい。
【００３４】
第1の光波長フィルタは、入力側導波路17が分波器16aの入力端に接合され、この分波器16aの2出力端の一方に第1導波路41の0次伝搬モード導波路12aの入力端が接合され、他方に第2導波路42の0次伝搬モード導波路15aの入力端が接合され、合波器16bの2入力端の一方の入力端に第1導波路41の0次伝搬モード導波路12bの出力端が接合され、他方に第2導波路42の0次伝搬モード導波路15bの出力端が接合され、この合波器16bの出力端に出力側導波路16が接合されて構成されている。
【００３５】
第1の光波長フィルタは、図1(B)に示すように、シリコン基板1上に入力側導波路17、出力側導波路18、1入力2出力の分波器16a、2入力1出力の合波器16b、第1導波路41、及び第2導波路42からなる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。ここでは、導波路パターン構造体のコアを導波路コア3と称する。
【００３６】
すなわち、導波路パターン構造体を形成している導波路コア3をクラッド層2及び4が囲っている。導波路コア3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3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。
【００３７】
導波路コア3の幅はWであり、厚みがDである。第1の光波長フィルタを後述するSOI(Silicon on Insulator)基板を用いて形成する場合は、厚みDはSOI基板を設計する段階で決定される。厚みDは、厚み方向の伝搬モードが0次伝搬モードとなるように、すなわち1次伝搬モード以上の高次伝搬モードがカットオフとなるように設定するのが好ましい。また、導波路コア3の幅Wは、入力側導波路17、出力側導波路18、分波器16a、合波器16b、第1導波路41、及び第2導波路42等の場所によって異なっている。
【００３８】
導波路コア3の幅Wは、導波路の幅方向の伝搬モードを規定する。入力側導波路17、出力側導波路18、0次伝搬モード導波路12a、12b、15a、15bは1次伝搬モード以上の高次伝搬モードがカットオフされる条件を満たすように決められる。また、1次伝搬モード導波路11、14は1次伝搬モードが励起可能であり、2次伝搬モード以上の高次伝搬モードがカットオフされる条件を満たすように決定するのが好適である。
【００３９】
第1の光波長フィルタでは、入力側導波路17から入力される入力光は、この入力光の波長に対して、A-A’間に形成される第1導波路41と第2導波路42の光路長差に基づく位相差に基づいて生じる干渉によって波長選択されて、出力側導波路18から出力される。すなわち、第1の光波長フィルタは、波長によってこの位相差が異なることを利用するフィルタであり、位相差が半波長の整数倍となるときにその波長の光は透過され、この条件から外れた波長の光は透過されない。すなわち、位相差が波長に連動して変動することによって光波長フィルタとしての動作が実現される。
【００４０】
第1の光波長フィルタにおいて、第1導波路、第2導波路の構成を1次伝搬モード導波路、0次伝搬モード導波路、1次伝搬モード導波路をこの順に接合して構成することも可能である。このように構成しても、0次伝搬モード導波路と、1次伝搬モード導波路のそれぞれの長さを調節することによって、同様の効果が得られる。このように構成した場合には、分波器16aの2出力端の一方に第1導波路41を構成する1次伝搬モード導波路の入力端を接合し、他方に第2導波路42を構成する1次伝搬モード導波路の入力端を接合する。そして、合波器16bの2入力端の一方の入力端に第1導波路41の1次伝搬モード導波路の出力端を接合し、他方に第2導波路42の1次伝搬モード導波路の出力端を接合する。
【００４１】
第1導波路、第2導波路の構成を1次伝搬モード導波路、0次伝搬モード導波路、1次伝搬モード導波路をこの順に接合して構成した場合、分波器16a及び合波器16bは、1次伝搬モードを分波あるいは合波することとなる。1次伝搬モードを分波あるいは合波するには、例えば、MMI（multimode interference）型の分波器あるいは合波器を利用すればよい。
【００４２】
図2を参照して、高次伝搬モード導波路11の端に形成される副導波路について説明する。高次伝搬モード導波路14の端に形成される副導波路についても同様である。
【００４３】
図2(A)は高次伝搬モード導波路11が1次伝搬モード導波路である場合のこの導波路の端に形成される1本の副導波路を示し、図2(B)は高次伝搬モード導波路11が2次伝搬モード導波路である場合のこの導波路の端に形成される2本の副導波路を示す。
【００４４】
図2(A)に示すように、高次伝搬モード導波路11が1次伝搬モード導波路である場合は高次伝搬モード導波路11の両端にそれぞれ副導波路22a、副導波路22bを形成する。高次伝搬モード導波路11が1次伝搬モード導波路である場合は、導波路の左右に1つずつ合計2つの光強度のピークが形成される。このピークの一方が0次伝搬モード導波路にカップリングされ、他方が副導波路にカップリングされる。
【００４５】
また、図2(B)に示すように、高次伝搬モード導波路11が2次伝搬モード導波路である場合は高次伝搬モード導波路11の端の一方に2本の副導波路22a-1,22a-2、他方に2本の副導波路22b-1、22b-2を形成する。高次伝搬モード導波路11が2次伝搬モード導波路である場合は、導波路の中央に1つ左右に1つずつ合計3つの光強度のピークが形成される。導波路の中央のピークが0次伝搬モード導波路にカップリングされ、左右のピークの一方が2本の副導波路の一方にカップリングされ、他方の副導波路に他方のピークがカップリングされる。
【００４６】
このように、高次伝搬モード導波路と基本伝搬モード導波路のピーク同士がカップリングする条件を満たせば、高次伝搬モード導波路を伝搬する光のほとんどが低損失で0次伝搬モード導波路にカップリングされる。仮に、副導波路が設けられていなければ、高次伝搬モード導波路に励起される伝搬モードが対称性を欠き、ピーク同士のカップリングが実現されなくなり、高次伝搬モード導波路と基本伝搬モード導波路の接合部分で光損失が発生する。
【００４７】
高次伝搬モード導波路11が3次以上の高次伝搬モード導波路に設定すると、高次伝搬モード導波路11から0次伝搬モード導波路にカップリングされる光の量が減少するので得策ではない。この観点からは、高次伝搬モード導波路11の伝搬モードは、2次以下、より好ましくは1次に設定するのがよい。
【００４８】
＜第2の光波長フィルタ＞
図3を参照して、方向性結合器を備えたこの発明の第2の光波長フィルタの構成について説明する。図3に示す第2の光波長フィルタは、入力側導波路17、出力側導波路18、1入力2出力の分波器16a、2入力1出力の合波器16b、第1導波路51、及び第2導波路52を備えている。
【００４９】
第2の光波長フィルタは、入力側導波路17が分波器16aの入力端に接合され、この分波器16aの2出力端の一方に第1導波路51の0次伝搬モード導波路12aの入力端が接合され、他方に第2導波路52の0次伝搬モード導波路15aの入力端に接合され、合波器16bの2入力端の一方の入力端に第1導波路51の0次伝搬モード導波路12bの出力端が接合され、他方に第2導波路52の0次伝搬モード導波路15bの出力端が接合され、この合波器16bの出力端に出力側導波路18が接合されて構成されている。
【００５０】
第1導波路51は、1次伝搬モード導波路11を挟んでこの1次伝搬モード導波路11の一端に0次伝搬モード導波路12a、他端に0次伝搬モード導波路12bが接合され、0次伝搬モード導波路12a、1次伝搬モード導波路11、0次伝搬モード導波路11bの順に直列に結合されている。第1導波路51において、方向性結合器31aによって0次伝搬モード導波路12aと1次伝搬モード導波路11が結合されており、方向性結合器31bによって0次伝搬モード導波路12bと1次伝搬モード導波路11が結合されている。方向性結合器31a及び31bの導波路幅および長さδ2はそれぞれ、フィルタリングされて透過される光波長に応じた、0次伝搬モード導波路12a,12bと1次伝搬モード導波路11のそれぞれの伝搬定数から定まる幅と結合長に等しく設定すればよい。
【００５１】
第2導波路52は、1次伝搬モード導波路14を挟んでこの1次伝搬モード導波路14の一端に0次伝搬モード導波路15a、他端に0次伝搬モード導波路15bが接合され、0次伝搬モード導波路15a、1次伝搬モード導波路14、0次伝搬モード導波路15bの順に直列に結合されている。第2導波路52において、方向性結合器32aによって0次伝搬モード導波路15aと1次伝搬モード導波路14が結合されており、方向性結合器32bによって0次伝搬モード導波路15bと1次伝搬モード導波路14が結合されている。方向性結合器32a及び32bの導波路幅および長さδ2もそれぞれ第1導波路51と同様に、フィルタリングされて透過される光波長に応じた、0次伝搬モード導波路15a,15bと1次伝搬モード導波路14のそれぞれの伝搬定数から定まる幅と結合長に等しく設定すればよい。
【００５２】
1次伝搬モード導波路は、上述の第1の光波長フィルタと同様に、第1導波路51あるいは第2導波路52の少なくともいずれか一方に設ければ、この発明が解決すべき課題は一定程度解決するが、両方の導波路に設ければ、より優れた効果が得られる。そこで、第2の光波長フィルタでも、第1導波路51と第2導波路52の両方に1次伝搬モード導波路を設けてある。
【００５３】
第2の光波長フィルタにおいても、導波路パターン構造体を形成している導波路コア3の幅W、及び厚みDについては、第1の光波長フィルタの場合と同様に決定される。
【００５４】
第2の光波長フィルタも第1の光波長フィルタと同様に、入力側導波路17から入力される入力光の波長に対して、B-B’間に形成される第1導波路51と第2導波路52の光路長差に基づく位相差によって生じる干渉によって波長選択されて、出力側導波路18から出力される。
【００５５】
0次伝搬モード導波路と1次伝搬モード導波路との接合に、第1の光波長フィルタのように副導波路を用いる代わりに、方向性結合器を利用する利点は、結合部分の長さを短くすることができる点にある。副導波路の長さは通常50μm程度必要であるのに対して、方向性結合器の部分の長さは結合長に等しく10μm程度である。このことによって素子のコンパクト化が図られる。ただし、副導波路を用いると、適用可能な波長帯域が100 nm以上確保することが可能である。これに対して、方向性結合器を利用した場合は、適用可能な波長帯域は、方向性結合器の波長許容範囲が狭いために、あまり広い波長帯域には適用できない。副導波路を利用するか方向性結合器を利用するかは、このような特質を考慮して、応用する対象に応じて適宜選択すればよい。
【００５６】
第2の光波長フィルタにおいても第1の光波長フィルタと同様に、第1導波路、第2導波路の構成を1次伝搬モード導波路、0次伝搬モード導波路、1次伝搬モード導波路をこの順に接合して構成することも可能である。このように構成した場合にも第1の光波長フィルタと同様に、分波器16aの2出力端の一方に第1導波路の1次伝搬モード導波路の入力端を接合し、他方に第2導波路の1次伝搬モード導波路の入力端を接合する。そして、合波器16bの2入力端の一方の入力端に第1導波路の1次伝搬モード導波路の出力端を接合し、他方に第2導波路の1次伝搬モード導波路の出力端を接合する。
【００５７】
なお、第1及び第2の光波長フィルタのいずれの場合でも、分波器16a及び合波器16bの構造を変更すれば、入力側導波路17、出力側導波路18を0次伝搬モード導波路とすること、あるいは1次伝搬モード導波路とすることも可能である。入力側導波路17、出力側導波路18の伝搬モードは、第2の光波長フィルタが利用される対象に応じて決定すればよい。
【００５８】
＜第1および第2の光波長フィルタの動作原理＞
第1および第2の光波長フィルタの第1導波路と第2導波路の光路長差に基づく干渉条件は、次式(1)で与えられる。
nΔL−naΔLa＝m(λ/2)          (1)
ここで、nは基本伝搬モード導波路の等価屈折率、naは高次伝搬モード導波路の等価屈折率であり、mは干渉次数、λは入力光の波長である。また、ΔLは第1導波路と第2導波路の基本伝搬モード導波路間の経路長差であり、ΔLaは第1導波路と第2導波路間の高次伝搬モード導波路間の経路長差である。
【００５９】
基本伝搬モード導波路と高次伝搬モード導波路の温度、あるいは導波路幅・厚みの変化に基づく等価屈折率の変動をそれぞれΔn、Δnaとすれば、これらの変動に対する無依存の条件は、次式(2)で与えられる。
ΔnΔL−ΔnaΔLa＝0          (2)
等価屈折率の変動に対する無依存の条件は、第1導波路における位相変動と第2導波路における位相変動が互いに相殺される条件である。この条件が満たされれば、第1導波路と第2導波路とで発生する等価屈折率の変動が互いに打ち消しあう。すなわち第1導波路と第2導波路間の光路差による位相差の変動が抑圧される。
【００６０】
上述の式(2)を満足させるためには、次式(3)で与えられる条件が満たされればよい。
ΔLa/ΔL＝Δn/Δna          (3)
式(3)を式(1)に代入すると、次式(4)が得られる。
ΔL(n−naΔn/Δna)＝m(λ/2)          (4)
第1及び第2導波路に高次伝搬モード導波路を含めずに均一の導波路幅の基本伝搬モード導波路だけで形成する従来の光波長フィルタでは、基本伝搬モード導波路の等価屈折率をnとし、第1導波路と第2導波路間の経路長差をΔL0とすると、式(4)に対応する干渉条件は、次式(5)で与えられる。
ΔL0n＝m(λ/2)          (5)
従来の光波長フィルタの第1導波路と第2導波路間の経路長差ΔL0に対する、この発明の光波長フィルタにおける第1導波路と第2導波路の基本伝搬モード導波路間の経路長差ΔLの比ΔL/ΔL0は、次式(6)で与えられる。
ΔL/ΔL0＝1/|1−naΔn/n(Δna)|          (6)
また、従来の光波長フィルタにおける第1導波路と第2導波路間の経路長差ΔL0に対する、この発明の光波長フィルタにおける第1導波路と第2導波路の高次伝搬モード導波路間の経路長差ΔLaの比ΔLa/ΔL0は、次式(7)で与えられる。
ΔLa/ΔL0＝(Δn/Δna)/|1−naΔn/n(Δna)|          (7)
従来の光波長フィルタでは、式(2)で与えられる、温度、あるいは導波路幅・厚みの変化に基づく等価屈折率の変動に対する無依存の条件が課されていない。そのため、この変動に対して第1導波路と第2導波路の位相差の変動をなくすことは原理的にできない。
【００６１】
＜数値シミュレーションの結果＞
表1及び表2を参照して、この発明の光波長フィルタの温度依存性の低減効果を数値シミュレーションによって調べた結果を説明する。数値シミュレーションはTEモード（Transverse Electromagnetic mode）について行ったが、TMモード（Transverse Magnetic mode）についても同様である。
【００６２】
まず、シリコンコアの厚みDを220 nmとし、導波路幅Wが440 nm、500 nm、600 nm、である場合の等価屈折率neffと、等価屈折率neffの温度変化率dneff/dT を計算した。この計算結果を表1に示す。表1に示した等価屈折率neffは、上述の基本伝搬モード導波路の等価屈折率nあるいは高次伝搬モード導波路の等価屈折率naに対応させることができる。
【００６３】
【表１】
0005835426.tif 000002
【００６４】
また、表1に示す計算結果を用いて、Δn/Δna、ΔL/ΔL0、ΔLa/ΔL0を数値シミュレーションした結果を表2に示す。
【００６５】
【表２】
0005835426.tif 000003
【００６６】
表2において、導波路幅Wが440 nmである導波路を基本伝搬モード導波路12a、12b、15a、15bとし、導波路幅Wが500 nm、600 nmを高次伝搬モード導波路11、14とした場合を設定して、Δn/Δna、ΔL/ΔL0、ΔLa/ΔL0を数値シミュレーションしてある。
【００６７】
この発明の光波長フィルタでは、高次伝搬モード導波路11、14は1次伝搬モード導波路としているが、参考のため、導波路幅Wが440 nmである導波路を基本伝搬モード導波路12a、12b、15a、15bとし、高次伝搬モード導波路11、14とされている導波路を、導波路幅はそのままとして仮に0次伝搬モードで伝搬させた場合（従来の、導波路幅は異なるが伝搬モードは0次伝搬モードである同種の光波長フィルタとみなした場合）についても示してある。
【００６８】
表2に示すように、幅の広い導波路として導波路幅Wを500 nmとした場合、幅の広い導波路を0次伝搬モード導波路として機能させれば、ΔL/ΔL0及びΔLa/ΔL0は、10.0、10.5である。1次伝搬モード導波路として機能させれば、0.653、2.56である。すなわち、幅の狭い導波路の導波路幅Wを440 nmと設定し、幅の広い導波路の導波路幅Wを500 nmと設定した場合、第1導波路及び第2導波路の伝搬モードが異なるこの発明の光波長フィルタは、従来の第1導波路と第2導波路の伝搬モードを共に0次伝搬モードとした同種の波長フィルタに比べて、第1導波路と第2導波路の狭幅導波路間の光路長差ΔLが0.653倍と短く設定できることがわかる。また、第1導波路と第2導波路の広幅導波路間の光路長差ΔLaは2.56倍ですむこともわかる。1次伝搬モードを使用することで、導波路幅を広く確保したまま温度係数を小さくすることが可能になる。
【００６９】
このように高次伝搬モード導波路幅等を設定すれば、温度依存性の低減、導波路幅および厚みの寸法誤差に基づく特性のばらつきの低減が図られた光波長フィルタが実現できる。しかも、第1導波路及び第2導波路を幅が一定の導波路で形成した同種の従来の波長フィルタに比べて、素子の長さをそれほど長くする必要もない。
【００７０】
一方、幅の広い導波路として導波路幅Wを600 nmとした場合には、幅の広い導波路を0次伝搬モード導波路として機能させれば、ΔL/ΔL0及びΔLa/ΔL0は、6.66及び6.97であり、1次伝搬モード導波路として機能させれば、11.3及び14.25である。すなわち、この場合は、第1導波路及び第2導波路を非常に長くとらなければならない。
【００７１】
式(6)、式(7)から明らかなように、ΔL/ΔL0及びΔLa/ΔL0を小さく、すなわち第1導波路及び第2導波路を短く構成するには、次式(8)で与えられる条件に設定すればよい。
|1−naΔn/n(Δna)| ＞ 1          (8)
na、Δna、n、Δnは、導波路幅Wの関数であるので、第1及び第2導波路を構成する基本伝搬モード導波路と高次伝搬モード導波路の導波路幅Wを数値シミュレーションによって、|1−naΔn/n(Δna)|で与えられる値が1より大きくなるように設定すればよい。
【００７２】
＜光波長分波器の製造方法＞
図1及び図3に示した光波長フィルタを構成する、入力側導波路17、出力側導波路18、分波器16a、合波器16b、第1導波路41(51)、及び第2導波路42(52)を含む導波路パターン構造体は、例えば、SOI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。
【００７３】
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、上述の導波路パターン構造体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。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。
【００７４】
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する。図2(B)では、下部クラッド層をクラッド層2、上部クラッド層をクラッド層4と示してある。
【００７５】
このように、この発明の光波長フィルタを構成する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】
【００７６】
1：シリコン基板
2、4：クラッド層
3：導波路コア
11、14：高次伝搬モード導波路
12a、12b、15a、15b：基本伝搬モード導波路
16a：1入力2出力の分波器（分波器）
16b：2入力1出力の合波器（合波器）
17：入力側導波路
18：出力側導波路
22a、22b、22a-1、22a-2、22b-1、22b-2、23a、23b：副導波路
31a、31b、32a、32b：方向性結合器
41、51：第1導波路
42、52：第2導波路
【要約】      （修正有）【課題】温度変化、あるいは波長揺らぎに対して、動作の安定化が図られた光波長フィルタを提供する。【解決手段】入力側導波路１７、出力側導波路１８、１入力２出力の分波器１６ａ、２入力１出力の合波器１６ｂ、第１導波路４１、及び第２導波路４２を備えている。第１導波路４１は、高次伝搬モード導波路１１を挟んでこの一端に基本伝搬モード導波路１２ａ、他端に基本伝搬モード導波路１２ｂが接合されている。高次伝搬モード導波路１１の両端には伝搬モードの対称性を実現させるための副導波路２２ａ,２２ｂが付加されている。第２導波路４２は、高次伝搬モード導波路１４を挟んでこの一端に基本伝搬モード導波路１５ａ、他端に基本伝搬モード導波路１５ｂが接合されている。高次伝搬モード導波路１４の両端には伝搬モードの対称性を実現させるための副導波路２３ａ,２３ｂが付加されている。【選択図】図１【図１】
0005835426.tif 000004
【図２】
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【図３】
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