(57)【要約】【課題】ＡＷＧの入力側スラブ導波路に結合している入力光導波路の形状をパラボラ形状にしたアレイ導波路回折格子型光合分波回路の波長分散を低減する。【解決手段】スラブ導波路とパラボラ導波路１０６の間に幅の広い導波路（マルチ導波路）２０１を介して接続させる構造を有する。マルチ導波路２０１の幅Ｄ２としては、パラボラ導波路１０６の幅Ｄ１と等しいもの（Ｄ２＝Ｄ１）と、パラボラ導波路よりも少し狭いもの（Ｄ２＜Ｄ１）とがある。このマルチ導波路幅の数値限定としては、最大幅がパラボラ導波路以下、最小幅が「規格化周波数ｖ値がπより大きい」となる。マルチ導波路の長さを最適値（終端での０次モードと２次モードの位相差がゼロになる長さ）に設定することにより、波長分散がゼロとなる効果を得る。【選択図】        図１
2004212886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面基板上に配置されて、１本または複数本の入力導波路と、該入力導波路から受光する第１のスラブ導波路と、該第１のスラブ導波路から受光し、かつ、所定の導波路長差で順次長くなる複数本の導波路からなるアレイ導波路と、該アレイ導波路から受光する第２のスラブ導波路と、該第２のスラブ導波路から受光する複数本の出力導波路とを含むアレイ導波路回折格子型光合分波回路において、
前記第１のスラブ導波路の入力端に接する光導波路が、パラボラ導波路によって拡がる導波路部分と、導波路幅一定のマルチ導波路とによって構成され、
該マルチ導波路に誘起される０次モードと２次モードの位相差が最小になるように該マルチ導波路の導波路長を設定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２】
前記パラボラ導波路の最大導波路幅と、前記マルチ導波路の導波路幅が等しいことを特徴とする請求項１に記載のアレイ導波路回折格子型光合分波回路。
【請求項３】
前記パラボラ導波路の最大導波路幅よりも、前記マルチ導波路の導波路幅が狭いことを特徴とする請求項１に記載のアレイ導波路回折格子型光合分波回路。
【請求項４】
前記マルチ導波路の規格化周波数ｖ値がπよりも大きいことを特徴とする請求項３に記載のアレイ導波路回折格子型光合分波回路。
【請求項５】
前記マルチ導波路の長さを該マルチ導波路の終端での０次モードと２次モードの位相差がゼロになる長さに設定したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子型光合分波回路。
【請求項６】
前記アレイ導波路回折格子型光合分波回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請求項１ないし５のいずれかに記載の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、１本または複数本の入力導波路とその入力導波路から受光する第１のスラブ導波路とその第１のスラブ導波路から受光し、かつ、所定の導波路長差で順次長くなる複数本の導波路からなるアレイ導波路とそのアレイ導波路から受光する第２のスラブ導波路から受光する複数本の出力導波路とを有するアレイ導波路回折格子型光合分波回路に関し、特に波長分散を低減した低分散アレイ導波路回折格子型光合分波回路に関する。
【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】
従来のアレイ導波路回折格子型光合分波回路の構成を図８に示す（例えば、非特許文献１を参照）。この従来例の光合分波回路は、平面基板１００上に、１本または複数本の入力導波路１０１，入力導波路から受光する第１のスラブ導波路１０２，その第１のスラブ導波路から受光し、かつ、所定の導波路長差で順次長くなる複数本の導波路からなるアレイ導波路１０３，そのアレイ導波路から受光する第２のスラブ導波路１０４，およびその第２のスラブ導波路から受光する複数本の出力導波路１０５が設けられている。
【０００４】
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。ここで、第１のスラブ導波路１０２のアレイ導波路側の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、このため入力された光の波長に依存してフィールドが傾きを持つこととなる。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ごとに変化し、その結果、波長分波が可能となる。また、出力導波路１０５から複数の波長が異なる光を導入すれば、上記と逆の光路をたどって、波長合波が可能になる。
【０００５】
このようなアレイ導波路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持つ信号を複数伝送させる光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。
【０００６】
また、図８に示したアレイ導波路格子型光合分波回路の透過波長帯域を拡げたパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の提案も種々行われている。図９にその従来提案されているパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の構成を示す（非特許文献２を参照）。図９の（Ａ）に示す構成の光合分波回路は、図８の従来のアレイ導波路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の間にパラボラ導波路（ｐａｒａｂｏｌｉｃ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｈｏｒｎ）１０６を設けた構成のものである。
【０００７】
図９の（Ｂ）にそのパラボラ導波路１０６の形状を拡大して示す。ここで、パラボラ導波路１０６の導波路幅は入力導波路側の端ｚ０位置での幅ｗ０から徐々に増加するが、幅ｗでの位置ｚとの関係は次の通りである。Ａは導波路形状を示す構造パラメータである。
ｚ＝Ａ（ｗ２−ｗ０２）−ｚ０
【０００８】
図９の構成ではパラボラ導波路１０６のスラブ導波路１０２と接するフィールド分布が、図１０に示すように、ダブルピークを有する。第２のスラブ導波路１０４の出力導波路側でこのダブルピークを持つ光フィールドが再生されて出力導波路１０５と結合するため、透過波長帯域の拡大を実現している。
【０００９】
【非特許文献１】
Ｋ．  Ｏｋａｍｏｔｏ，  “Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ”，Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ，  ｐｐ．３４６〜３８１  ２０００
【００１０】
【非特許文献２】
Ｋ．  Ｏｋａｍｏｔｏ  ａｎｄ  Ａ．  Ｓｕｇｉｔａ，  “Ｆｌａｔ  ｓｐｅｃｔｒａｌ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ａｒｒａｙｅｄ−ｗａｖｅｇｕｉｄｅ    ｇｒａｔｉｎｇ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ  ｗｉｔｈ  ｐａｒａｂｏｌｉｃ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｈｏｒｎｓ  ”，
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．  ３２，  Ｎｏ．  １８，  ｐｐ．  １６６１−１６６２，  １９９６
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９で上述した従来技術のパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路は、図１１で実線の曲線により示すように、パラボラ導波路内の位相分布に起因する大きな波長分散値を有する。この波長分散は、信号スペクトル成分に異なる遅延時間を与えるために光パルス劣化が著しいという解決すべき課題があった。
【００１２】
本発明の目的は、この課題を解決し、波長分散の小さい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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のアレイ導波路格子型光合分波回路は、パラボラ導波路の位相分布を低減できる低分散なパスバンド拡大マルチ導波路を設置することを特徴とする。
【００１４】
パスバンド拡大を実現するパラボラ導波路内のダブルピークの界分布は０次モードと２次モードの重畳によって生じる。すなわち、その界分布は次式によって表現できる。
【００１５】
【数１】
2004212886.tif 000003
【００１６】
ここで、
【００１７】
【外１】
2004212886.tif 000004
【００１８】
は、ｍ次モードの界分布、βｍは、ｍ次モードの伝搬定数、αｍは、ｍ次モードの展開係数を表している。図２にパラボラ導波路内に誘起された０次モードと２次モードの界分布を示す。ここで、実線の曲線は０次モード、破線の曲線は２次モードを表わしている。
【００１９】
上式から、波長分散の要因である位相分布は、０次モードと２次モードの位相差に起因することが分かる。このモードの位相差は、伝搬定数の差と伝搬距離の積に比例し、かつ周期的であるため、図１、図６を用いて後述するように、パラボラ導波路に位相調整のためのマルチ導波路を設置し、そのマルチ導波路の長さを調整することによって、０次モードと２次モードの位相差をゼロにすることが出来る。すなわち、パラボラ導波路の後段に適切な長さのマルチ導波路を設置することにより、低分散なパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路を実現することが出来る。本構造は、非常に単純であり、低分散化のための設計パラメータも導波路長のみであるため、設計も簡便である利点を有する。
【００２０】
さらに詳述すると、本発明のアレイ導波路格子型光合分波回路は、平面基板上に配置されて、１本または複数本の入力導波路と、該入力導波路から受光する第１のスラブ導波路と、該第１のスラブ導波路から受光し、かつ、所定の導波路長差で順次長くなる複数本の導波路からなるアレイ導波路と、該アレイ導波路から受光する第２のスラブ導波路と、該第２のスラブ導波路から受光する複数本の出力導波路とを含むアレイ導波路回折格子型光合分波回路において、前記第１のスラブ導波路の入力端に接する光導波路が、パラボラ導波路によって拡がる導波路部分と、導波路幅一定のマルチ導波路とによって構成され、該マルチ導波路に誘起される０次モードと２次モードの位相差が最小になるように該マルチ導波路の導波路長を設定したことを特徴とする。
【００２１】
ここで、前記パラボラ導波路の最大導波路幅と、前記マルチ導波路の導波路幅が等しいことを特徴とすることができる。
【００２２】
また、前記パラボラ導波路の最大導波路幅よりも、前記マルチ導波路の導波路幅が狭いことを特徴とすることができる。
【００２３】
また、前記マルチ導波路の規格化周波数ｖ値がπよりも大きいことを特徴とすることができる。
【００２４】
また、前記マルチ導波路の長さを該マルチ導波路の終端での０次モードと２次モードの位相差がゼロになる長さに設定したことを特徴とすることができる。
【００２５】
また、前記アレイ導波路回折格子型光合分波回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ことができる。
【００２６】
【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。
（第１の実施形態）
図１は、本発明により設計したパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の構成と低分散化の効果を示す。図１の（Ａ）に光導波路の形状を示すが、その他の構成は図９の（Ａ）に示す従来例と同様なので図示と説明を省略する。
【００２７】
図１の（Ａ）に示すように、パラボラ導波路１０６の最大導波路幅Ｄ１に等しい導波路幅Ｄ２を有するマルチ導波路２０１（２点斜線でその位置を明示する）を、パラボラ導波路１０６の第１のスラブ導波路（１０２）側の端部と一体となるように同軸上で設置し、パラボラ導波路内に誘起された０次モードと２次モードの位相差をゼロになるように、マルチ導波路２０１の長さ（Ｌ２）を下記のように調整する。
【００２８】
ここで、パラボラ導波路１０６の長さ（Ｌ１）は８００μｍ、最大幅（Ｄ１）は４０μｍである。また、マルチ導波路２０１の幅（Ｄ２）はパラボラ導波路と同じ４０μｍである。また、チャネル間隔を１００ＧＨｚとして設計した。
【００２９】
図１の（Ｂ）は、マルチ導波路２０１の長さ（Ｌ２）とアレイ導波路格子型光合分波回路の波長分散の関係を示す。図１の（Ｂ）から、マルチ導波路２０１の長さ（Ｌ２）が１５５μｍにおいて波長分散値がゼロになることが分かる。また、マルチ導波路２０１の長さ（Ｌ２）がゼロ、すなわち、従来構成の波長分散は１５ｐｓ／ｎｍであった。そこで、マルチ導波路２０１の長さ（Ｌ２）は図１の（Ｂ）の波長分散特性から最適値の１５５μｍとした。
【００３０】
図３に、本発明の実施形態のアレイ導波路回折格子型光合分波回路の導波路作製方法の具体例を簡単に説明する。
【００３１】
まず、シリコン基板３０１上に火炎堆積法でＳｉＯ２を主体にした下部クラッドガラススート３０２、およびＳｉＯ２にＧｅＯ２を添加したコアガラススート３０３を堆積する（図３の（Ａ））。
【００３２】
その後、１０００℃以上の高温でガラス透明化を行う。この時に、下部クラッドガラス層３０４は３０ミクロン厚、コアガラス３０５は７ミクロン厚となるように、上記のガラスの堆積を行っている（図３の（Ｂ））。
【００３３】
引き続き、フォトリソグラフィ技術を用いてコアガラス３０５上にエッチングマスク３０６を形成し（図３の（Ｃ））、反応性イオンエッチングによってコアガラス３０５のパターン化を行う（図３の（Ｄ））。
【００３４】
そして、エッチングマスク３０６を除去した後、パターン化したコアガラス３０５上に、上部クラッドガラス３０７を再度火炎堆積法で形成する。上部クラッドガラス３０７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、それぞれのコアガラス３０５とコアガラス３０５の狭い隙間にも上部クラッドガラス３０７が入り込むようにしている（図３の（Ｅ））。
【００３５】
図４に、以上説明したように設計し作成することで低分散化した本実施形態のアレイ導波路格子型光合分波回路の透過特性と波長分散特性を示す。図４の（Ａ）は波長と透過率の関係を示し、図４の（Ｂ）は波長と波長分散の関係を示す。ここでは、比較のために、本実施形態の構成の特性を実線で、従来構成の特性を破線で示す。図４から、本実施形態の実施により、透過帯域幅に殆ど影響を与えることなく、低分散化を達成することが分かり、本発明の有効性を確認できた。
【００３６】
（第２の実施形態）
０次モードと２次モードの導波路幅に対する伝搬定数を図５に示す。マルチ導波路による位相調整に必要な長さは、両モードの位相差に逆比例するため、小型化のためにはマルチ導波路幅が狭いほうが有効である。
【００３７】
図６は、本発明の第２の実施形態として、パラボラ導波路の最大導波路幅よりも狭い導波路幅を有するマルチ導波路を設置することによって、パスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の小型化を図った構成とその効果を示す。
【００３８】
図６（Ａ）に示すように、パラボラ導波路１０６の最大導波路幅（Ｄ１）よりも狭い導波路幅（Ｄ２）を有するマルチ導波路２０２（２点斜線でその位置を明示する）を、パラボラ導波路１０６の第１のスラブ導波路（１０２）側の端部と一体となるように同軸上で設置し、低分散化と小型化を図る。
【００３９】
ここで、マルチ導波路２０２の幅（Ｄ２）は、
（１）２次モードのカットオフにならないこと、
（２）パラボラ導波路１０６とマルチ導波路２０２の接続箇所でモード変換を抑圧すること、
を考慮する必要がある。特に、２次モードのカットオフにならないようにするには、マルチ導波路２０２の規格化周波数ｖ値がπよりも大きな値でなければならない。
【００４０】
そこで、本実施形態では、パラボラ導波路１０５の最大導波路幅（Ｄ１）よりも４μｍ狭い値をマルチ導波路２０２の幅（Ｄ２）として採用した。また、パラボラ導波路１０６は第１の実施形態と同じく長さ（Ｌ１）は８００μｍ、最大幅（Ｄ１）は４０μｍである。そして、マルチ導波路２０２の幅（Ｄ２）は、パラボラ導波路１０６のＤ１より左右２μｍずつ狭い３６μｍであり、マルチ導波路２０２の長さ（Ｌ２）は、後述の図６の（Ｂ）の波長分散の特性から、最適値の９５μｍとした。
【００４１】
図６の（Ｂ）の実線Ａは、マルチ導波路２０２の長さとアレイ導波路格子型光合分波回路の波長分散の関係を示す。同図から、マルチ導波路２０２の長さが９５μｍにおいて波長分散値がゼロになることが分かる。比較のため、マルチ導波路２０２の導波路幅とパラボラ導波路幅の最大値が等しい構造（第１の実施形態）の結果を破線Ｂで示す。この結果より、第１の実施形態に比べ、本実施形態では、マルチ導波路の長さを約４４％低減できた。
【００４２】
図７に、本実施形態によって低分散化したアレイ導波路格子型光合分波回路の透過特性と波長分散特性を示す。図７の（Ａ）は波長と透過率の関係を示し、図７の（Ｂ）は波長と波長分散の関係を示す。ここでは、比較のために、本実施形態の構成の特性を実線で、従来構成の特性を破線で示す。図７から、本実施形態の実施により、透過帯域幅に殆ど影響を与えることなく、低分散化を達成することが分かり、本発明の有効性を確認できた。
【００４３】
（その他の実施形態）
以上述べた本発明の実施形態では、シリコン基板上の石英系ガラス導波路を用いたアレイ導波路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。例えば、石英基板でもよい。
【００４４】
更に、パスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の波長分散は、図２を用いて前述したように、パラボラ導波路内で誘起される０次モードと２次モードの位相差に起因する。したがって、パラボラ状に拡がる他の形態の導波路に対しても、その位相差を調整する手段として、本発明に示すマルチ導波路は普遍的に適用可能である。
【００４５】
また、図１の（Ｂ）および図６の（Ｂ）に示した本発明の実施形態おいて、マルチ導波路の長さの最適値として１５５μｍ、９５μｍを例示したが、マルチ導波路の長さの最適値はパラボラ導波路の幅Ｄ１、または導波路の比屈折率差Δによって変わるので、その最適値を特定の数値に限定することはできない。つまり、終端での０次モードと２次モードの位相差がゼロになる長さに、マルチ導波路の長さを設定すれば、波長分散がゼロとなる効果が得られるというのが、本発明の主旨である。
【００４６】
本発明の実施形態は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その構成要素等の変更、置き換え等も、特許請求の範囲に記載されている範囲内であれば、本発明の実施形態に含まれる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、パラボラ導波路の後段に位相調整用のマルチ導波路を設置することによって、低波長分散かつパスバンドを拡大したアレイ導波路格子型光合分波回路を実現するようにしたので、従来技術に比べて、パスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の波長分散の低減、設計の効率化などの効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のアレイ導波路回折格子型光合分波回路の構成と低分散化の効果を説明する図で、（Ａ）は光導波路の形状を示す平面図、（Ｂ）はそのマルチ導波路の長さＬ２に対する波長分散の関係を示す特性図である。
【図２】本発明に関わるパラボラ導波路内の０次モードと２次モードの界分布を示す特性図である。
【図３】本発明の実施形態の低分散アレイ導波路回折格子型光合分波回路の製造工程を説明する工程図である。
【図４】本発明の第１の実施形態によるパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の透過特性と波長分散特性を示す図で、（Ａ）は透過特性を示す特性図、（Ｂ）は波長分散特性を示す特性図である。
【図５】本発明に関わる０次モードと２次モードの伝搬定数と導波路幅の関係を示す特性図である。
【図６】本発明の第２の実施形態によるパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の構成とその小型化の効果を説明する図で、（Ａ）は光導波路の形状を示す平面図、（Ｂ）はそのマルチ導波路の長さＬ２に対する波長分散の関係を示す特性図である。
【図７】本発明の第２の実施形態によるパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の透過特性と波長分散特性を示す図で、（Ａ）は透過特性を示す特性図、（Ｂ）は波長分散特性を示す特性図である。
【図８】従来のアレイ導波路回折格子型光合分波回路の構成を示す平面図である。
【図９】従来提案されているパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の構成を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はその一部の拡大図である。
【図１０】従来技術におけるパラボラ導波路のフィールド分布を示す図で、（Ａ）は鳥瞰図、（Ｂ）は終端における図である。
【図１１】従来技術によるパスバンド拡大アレイ導波路格子型光合分波回路の波長分散特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１００  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
１０６  パラボラ導波路
３０１  シリコン基板
３０２  下部クラッドガラススート
３０３  コアガラススート
３０４  下部クラッドガラス層
３０５  コアガラス
３０６  エッチングマスク
３０７  上部クラッドガラス
２０１，２０２  マルチ導波路
【図１】
2004212886.tif 000005
【図２】
2004212886.tif 000006
【図３】
2004212886.tif 000007
【図４】
2004212886.tif 000008
【図５】
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【図６】
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【図７】
2004212886.tif 000011
【図８】
2004212886.tif 000012
【図９】
2004212886.tif 000013
【図１０】
2004212886.tif 000014
【図１１】
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