(57)【要約】【課題】広帯域でかつ平坦性の良好な透過波長帯域特性を有する光合分波回路を提供すること。【解決手段】アレイ導波路回折格子型光合分波回路において、入力導波路１０１と第１のスラブ導波路との接合部分に、光の伝搬軸ｚに対してｚ＝（１／Ａ）｛（ｗ／２）＾γ−ａ＾γ｝，γ＞２（但し、Ａ及びγは形状パラメータ、ａは入力導波路のコア幅の１／２）なる式によって規定されるコア幅ｗを有するテーパ導波路１０７を設けることにより、放射損失の増加を招くことなく、高次モードの発生を容易とし、これによって広帯域でかつ平坦性の良好な透過波長帯域特性を実現する。【選択図】            図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面基板上に形成されたコア及びその周囲のクラッドからなる光導波路であって、入力導波路と、出力導波路と、アレイ導波路と、入力導波路及びアレイ導波路を接続する第１のスラブ導波路と、アレイ導波路及び出力導波路を接続する第２のスラブ導波路とよりなり、アレイ導波路は所定の導波路長差で順次長くなる複数の導波路を含み、入力導波路または出力導波路の少なくとも一方は複数の導波路を含むアレイ導波路回折格子型光合分波回路において、
入力導波路と第１のスラブ導波路との接合部分に、光の伝搬軸ｚに対して
ｚ＝（１／Ａ）｛（ｗ／２）＾γ−ａ＾γ｝，
γ＞２
（但し、Ａ及びγは形状パラメータ、ａは入力導波路のコア幅の１／２）なる式によって規定されるコア幅ｗを有するテーパ導波路を設けた
ことを特徴とするアレイ導波路回折格子型光合分波回路。
【請求項２】
請求項１記載のアレイ導波路回折格子型光合分波回路において、
形状パラメータγが３．５以下である
ことを特徴とするアレイ導波路回折格子型光合分波回路。
【請求項３】
請求項１または２記載のアレイ導波路回折格子型光合分波回路において、
前記式で表される形状を複数の直線で近似した
ことを特徴とするアレイ導波路回折格子型光合分波回路。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれか記載のアレイ導波路回折格子型光合分波回路において、
入力導波路とテーパ導波路との接合部分に、入力導波路よりコア幅を狭めたモード安定化領域を設けた
ことを特徴とするアレイ導波路回折格子型光合分波回路。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれか記載のアレイ導波路回折格子型光合分波回路において、
各導波路がシリコン基板上の石英系ガラス光導波路で構成されている
ことを特徴とするアレイ導波路回折格子型光合分波回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透過波長帯域における平坦性を向上させたアレイ導波路回折格子型光合分波回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、通信容量の拡大のために複数の光波長を用いた光波長多重通信システムの開発が盛んである。この光波長多重通信システムにおいて、送信機側で複数の波長の光信号を合波したり、受信機側で１本の光ファイバ中の複数の光信号を異なるポートに分波する光波長合分波回路として、アレイ導波路回折格子型光合分波回路が広く使用されている。
【０００３】
図１は従来のアレイ導波路回折格子型光合分波回路の一例（例えば、非特許文献１参照）を示すもので、平面基板１００上に、入力導波路１０１、第１のスラブ導波路１０２、アレイ導波路１０３、第２のスラブ導波路１０４及び出力導波路１０５が形成されて構成されている。
【０００４】
前記構成において、入力導波路１０１に導かれた光は第１のスラブ導波路１０２で拡がり、それぞれのアレイ導波路１０３へ分岐される。そして、第２のスラブ導波路１０４で再び合波されて出力導波路１０５へと導かれる。
【０００５】
ここで、第１のスラブ導波路１０２のアレイ導波路端に投射された光フィールドパターンは、基本的に第２のスラブ導波路１０４のアレイ導波路側の端にコピーされることになるが、アレイ導波路１０３では隣り合う光導波路がちょうどΔＬだけ光路長が異なるように設計されており、これによって入力された光の波長に依存してフィールドが傾きを有することとなる。この傾きによって、第２のスラブ導波路１０４の出力導波路側で光フィールドが焦点を結ぶ位置が波長毎に変化し、その結果、波長分波が可能となる。
【０００６】
このようなアレイ導波路回折格子型光合分波回路は、１本の光ファイバに異なる波長を有する信号を複数伝送させる光波長多重通信システムにおいて、必要不可欠な光部品となりつつある。
【０００７】
図２は従来のアレイ導波路回折格子型光合分波回路の他の例、ここでは波長毎の透過波長特性を平坦化して帯域を拡大した例（例えば、非特許文献２、特許文献１参照）を示すもので、図１に示したアレイ導波路回折格子型光合分波回路の入力導波路１０１と第１のスラブ導波路１０２との接合部分に、同図（Ｂ）に拡大して示すようなパラボラ導波路１０６を設けて構成されている。
【０００８】
この構成では、入力導波路１０１とパラボラ導波路１０６との不連続に起因して２次モードの電界が発生する。この結果、パラボラ導波路１０６の終端部において０次モードの電界と２次モードの電界との重畳により、図３に示すような双峰性の電界分布が形成される。
【０００９】
図３はパラボラ導波路の終端部における電界分布を示すもので、通常のガウス分布を示す０次モードの電界分布２０１と、２つの山の間に１つの谷を備えた分布を示す２次モードの電界分布２０２との重畳により、双峰性の電界分布２０３が形成されている。なお、図３において、縦軸は電界振幅、横軸はコア中心を０としたコアの幅方向の位置（ｘ）を表している。
【００１０】
前述した通り、第２のスラブ導波路１０４の出力導波路側でこの双峰性の電界分布が再生され、出力導波路１０５と結合するため、透過波長特性の平坦化による帯域の拡大が実現される。
【００１１】
【非特許文献１】
Ｋ．Ｏｋａｍｏｔｏ，”Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ”，Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ，２０００
【非特許文献２】
Ｋ．Ｏｋａｍｏｔｏ  ａｎｄ  Ａ．Ｓｕｇｉｔａ，”Ｆｌａｔ  ｓｅｐｃｔｒａｌ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ａｒｒａｙｅｄ−ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ  ｗｉｔｈ  ｐａｒａｂｏｌｉｃ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｈｏｒｎｓ”，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．１８，ｐｐ．１６６１−１６６２，１９９６
【特許文献１】
特開平９−２９７２２８号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２に示した従来のアレイ導波路回折格子型光合分波回路は、次のような解決すべき課題を持っていた。
【００１３】
即ち、図３に示した双峰性の電界分布の起源が、導波路の２次偶モードであるため、２次モードという高次モードが励振され難い導波路（例えば、比屈折率差Δが小さな低Δ導波路）においては、広帯域の光合分波器が得られ難いという問題があった。
【００１４】
また、コアのミス・アライメント等により、図４に示すような１次モードが励振された場合、対称な偶モードと非対称な奇モードとの重畳となるため、双峰性の電界分布は、図５に示すように左右非対称になり、この結果、透過スペクトル形状が傾いてパスバンドが狭まるという問題があった。
【００１５】
図４は１次モードの電界分布３０１を、また、図５は１次モードが励振した場合のパラボラ導波路の終端部における電界分布を示すもので、縦軸及び横軸は図３の場合と同一である。図５において、４０１は図４に示した１次モードが発生した場合の電界分布、４０２は図４とは山と谷が逆の１次モードが発生した場合の電界分布、４０３は１次モードがない場合の電界分布をそれぞれ示している。
【００１６】
本発明の目的は、前述した課題を解決し、広帯域でかつ平坦性の良好な透過波長帯域特性を有するアレイ導波路回折格子型光合分波回路を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では、従来のアレイ導波路回折格子型光合分波回路におけるパラボラ導波路の代わりに、入力導波路と第１のスラブ導波路との接合部分に、光の伝搬軸ｚに対して
ｚ＝（１／Ａ）｛（ｗ／２）＾γ−ａ＾γ｝，
γ＞２
（但し、Ａ及びγは形状パラメータ、ａは入力導波路のコア幅の１／２）なる式（冪乗関数）によって規定されるコア幅ｗを有するテーパ導波路を設けることによって、広帯域化を実現する。
【００１８】
図６は本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波回路の要部、即ちテーパ導波路を示すもので、同図（Ａ）はテーパ導波路１０７の概略形状を、また、同図（Ｂ）はγを変化（γ＝２、２．５、３．０、３．５）させた場合のテーパ導波路１０７の詳細な形状（但し、導波路全体ではなく、コア中心から片側のみの形状）を示す。
【００１９】
ここで、γ＝２とは従来のパラボラ導波路の場合を示しており、γが２より大きい本発明のテーパ導波路の場合、従来に比べて入力端近傍の変化が大きいことが分かる。
【００２０】
より定量的に吟味するため、コア幅の変化率ｄｘ／ｄｚを図７に示す。この変化率が大きいほど、高次モードが励起され易い。γが２より大きい本発明のテーパ導波路の場合、γ＝２の従来のパラボラ導波路の場合に比べて、ｚ＝０μｍの入力端において、大きな変化率ｄｘ／ｄｚを有することが分かる。
【００２１】
また、従来のパラボラ導波路において入力端に大きな変化率を与えようとすると、形状パラメータＡの値のみを変化させることになるため、入力端を除いた箇所の変化率も必然的に大きな数値となり、放射損失が増加する。
【００２２】
しかしながら、本発明におけるテーパ導波路によれば、入力端にのみ大きな不連続性を与えることが出来るため、放射損失の抑圧が可能である。
【００２３】
更に、本発明の有効性を明らかにするため、従来例も含めた透過波長帯域特性と形状パラメータγとの関係を図８に示す。ここでは、チャネル間隔１００ＧＨｚ、Δ＝０．４５％として設計した。γの値が大きくなるに伴い、帯域が拡大している様子が分かる。
【００２４】
従来は形状パラメータである係数Ａの検討のみであり、本発明の要件であるγ依存性の検討は全くなされていなかった。
【００２５】
図９は、本発明における透過波長帯域特性の平坦性と損失のγ依存性を示す。ここで、平坦性を示す指数として３ｄＢ帯域幅と１ｄＢ帯域幅との比を用いた。即ち、この指数の値が小さいほど、平坦性が良好である。図より、従来（γ＝２）の場合に比べて、本発明の構成が優れていることが分かる。また、γ＞３．５の領域では平坦性が一定であることより、２＜γ≦３．５において本発明の構成が有効である。
【００２６】
以上の結果より、本発明によれば、テーパ導波路の入力端に大きな不連続性を有するため、低Δ導波路においても２次モードを容易に励振できる。即ち、広帯域でかつ平坦性の良好な透過波長帯域特性を有するアレイ導波路回折格子型光合分波回路の実現が期待できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２８】
（第１の実施の形態）
図１０は本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波回路の第１の実施の形態の製造工程を示すもので、導波路の形状そのものは図６で説明した通りである。
【００２９】
シリコン基板５０１上に、ＳｉＯ２を主体にした下部クラッドガラススート５０２と、ＳｉＯ２にＧｅＯ２を添加したコアガラススート５０３を火炎堆積法で順次堆積する（図１０（Ａ））。その後、１０００℃以上の高温でガラス透明化を行うが、この時、下部クラッドガラス層５０４が３０μｍ厚、コアガラス層５０５が７μｍ厚となるように前述したガラスの堆積を行うものとする（図１０（Ｂ））。
【００３０】
引き続き、フォトリソグラフィ技術を用いてコアガラス層５０５上にエッチングマスク５０６を形成し（図１０（Ｃ））、反応性イオンエッチングによってコアガラス層５０５のパターン化を行う。エッチングマスク５０６を除去した後（図１０（Ｄ））、上部クラッドガラス５０７を火炎堆積法で形成する（図１０（Ｅ））。
【００３１】
上部クラッドガラス５０７にはＢ２Ｏ３やＰ２Ｏ５などのドーパントを添加してガラス転移温度を下げ、パターン化されたコアガラス５０５ａ同士の狭い隙間にも上部クラッドガラス５０７が入り込むようにしている。
【００３２】
形状パラメータγ＝２．８で設計したチャネル間隔１００ＧＨｚの本実施の形態における透過波長帯域特性を図１１に、また、本実施の形態と従来のアレイ導波路回折格子型光合分波回路における特性値の比較を図１２に示す。
【００３３】
本実施の形態における挿入損失は約４ｄＢ、１ｄＢ帯域幅は０．４９ｎｍ以上であり、従来のアレイ導波路回折格子型光合分波回路に比べて１ｄＢ帯域幅を２０％以上拡大出来ることがわかる。
【００３４】
（第２の実施の形態）
図１３は本発明の第２の実施の形態、ここでは前述した式で表される形状を複数の直線で近似したテーパ導波路を入力導波路と第１のスラブ導波路との接合部分に備えた例を示すもので、同図（Ａ）は直線近似テーパ導波路１０８の概略形状を、また、同図（Ｂ）は直線近似テーパ導波路１０８の詳細な形状（但し、導波路全体ではなく、コア中心から片側のみの形状）を示す。
【００３５】
本実施の形態によれば、連続的な曲線を複数、ここでは４本の直線に分割して近似しているため、設計が簡易である。
【００３６】
図１４は本実施の形態における透過波長帯域特性を示すもので、挿入損失は約４ｄＢ、１ｄＢ帯域幅は０．４９ｎｍ以上であり、本実施の形態の有効性を確認できた。
【００３７】
（第３の実施の形態）
図１５は本発明の第３の実施の形態、ここでは入力導波路１０１とテーパ導波路１０７との接合部分に、入力導波路１０１よりコア幅を狭めたモード安定化領域１０９を設けた例を示す。
【００３８】
本実施の形態によれば、コア幅を狭めた導波路をモード安定化領域１０９として有しているため、擾乱やミス・アライメントによって励起された奇モード、特に１次モードの抑圧が期待出来る。
【００３９】
図１６は本実施の形態における透過波長帯域特性を従来例の特性とともに示すもので、従来例に比べて、透過スペクトルが傾くことなく、本実施の形態の有効性を確認できた。
【００４０】
（その他の実施の形態）
以上述べた本発明の実施の形態では、シリコン基板上の石英系ガラス光導波路を用いたアレイ導波路回折格子型光合分波回路を示したが、その導波路材料がポリイミド、シリコーン、半導体、ＬｉＮｂＯ３などであっても本発明の上記の原理は適用可能である。また、基板もシリコンに限定するものではない。
【００４１】
また、これまでは従来例も含めて入力導波路が１本の場合について説明したが、入力導波路が２本以上の場合でも、同様に本発明を適用可能なことはいうまでもない。入力導波路が２本以上の場合、出力導波路が１本のものも含むことはいうまでもない。
【００４２】
本発明の本質は、従来技術において明らかでなかった設計指針を与えることによって、広帯域でかつ平坦性の良好なアレイ導波路回折格子型光合分波回路を実現したことにある。
【００４３】
なお、本明細書において、「α＾β」は「αのβ乗」という意味を表すものとする。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来に比べてアレイ導波路回折格子型光合分波回路の広帯域化、平坦性の向上などの効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のアレイ導波路回折格子型光合分波回路の一例を示す構成図
【図２】従来のアレイ導波路回折格子型光合分波回路の他の例を示す構成図
【図３】図２のパラボラ導波路の終端部における電界分布を示す図
【図４】１次モードの電界分布を示す図
【図５】１次モードが励振した場合のパラボラ導波路の終端部における電界分布を示す図
【図６】本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波回路の要部を示す構成図
【図７】本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波回路におけるテーパ導波路のコア幅の変化率を示す図
【図８】透過波長帯域特性と形状パラメータγとの関係を示す図
【図９】本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波回路における透過波長帯域特性の平坦性と損失のγ依存性を示す図
【図１０】本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波回路の第１の実施の形態の製造工程の説明図
【図１１】本発明の第１の実施の形態における透過波長帯域特性を示す図
【図１２】本発明の第１の実施の形態と従来の構成における特性値を比較して示す図
【図１３】本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波回路の第２の実施の形態の要部を示す構成図
【図１４】本発明の第２の実施の形態における透過波長帯域特性を示す図
【図１５】本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波回路の第３の実施の形態の要部を示す構成図
【図１６】本発明の第３の実施の形態における透過波長帯域特性を示す図
【符号の説明】
１００：平面基板、１０１：入力導波路、１０２：第１のスラブ導波路、１０３：アレイ導波路、１０４：第２のスラブ導波路、１０５：出力導波路、１０７：テーパ導波路、１０８：直線近似テーパ導波路、１０９：モード安定化領域、５０１：シリコン基板、５０２：下部クラッドガラススート、５０３：コアガラススート、５０４：下部クラッドガラス層、５０５：コアガラス層、５０５ａ：パターン化されたコアガラス、５０６：エッチングマスク、５０７：上部クラッドガラス。
【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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