(57)【要約】【課題】入力スラブとチャネル導波路の接続部分の損失をより小さくして装置全体の低損失化を実現可能にした波長合分波装置を提供する。【解決手段】本波長合分波装置１Ａは、基板１０１上に形成された入力導波路２、入力スラブ３、チャネル導波路４、出力スラブ５および出力導波路６を備えた構成について、入力スラブ３の出力側の円弧状境界面３０２の曲率半径ｒ１が、出力スラブ５の入力側の円弧状境界面５０２の曲率半径ｒ２よりも小さく、且つ、入力スラブ３と各チャネル導波路４の接続部分における各チャネル導波路の間隔Ｐ１が、各チャネル導波路４と出力スラブ５の接続部分における各チャネル導波路の間隔Ｐ２より狭くなるようにしたものである。【選択図】図１
2004012867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、光信号が一端から入力される少なくとも１本の入力導波路と、該入力導波路の他端が入力側の境界面に接続され、前記入力導波路からの光信号を前記基板の面方向に出力側の円弧状境界面まで自由伝搬させる入力スラブと、該入力スラブの出力側の円弧状境界面に各一端が接続され、互いに異なる光路長を有する複数本のチャネル導波路と、該複数本のチャネル導波路の各他端が入力側の円弧状境界面に接続され、前記各チャネル導波路からの光信号を前記基板の面方向に出力側の境界面まで自由伝搬させる出力スラブと、該出力スラブの出力側の境界面に各一端が接続される複数本の出力導波路と、を備えて構成される波長合分波装置において、
前記入力スラブの出力側の円弧状境界面の曲率半径が、前記出力スラブの入力側の円弧状境界面の曲率半径よりも小さく、且つ、前記入力スラブと前記各チャネル導波路の接続部分における前記各チャネル導波路の間隔が、前記各チャネル導波路と前記出力スラブの接続部分における前記各チャネル導波路の間隔より狭いことを特徴とする波長合分波装置。
【請求項２】
請求項１に記載の波長合分波装置であって、
前記各チャネル導波路は、前記入力スラブとの接続部分近傍に、導波路の幅が入力スラブ方向に進むに従い狭くなるテーパ形状部をそれぞれ有することを特徴とする波長合分波装置。
【請求項３】
請求項２に記載の波長合分波装置であって、
前記各チャネル導波路は、それぞれ、前記テーパ形状部において導波路の幅が最も狭くなる部分と同じ一定幅の導波路からなる幅一定部を有し、該幅一定部を介して前記テーパ形状部が前記入力スラブに接続されることを特徴とする波長合分波装置。
【請求項４】
請求項１に記載の波長合分波装置であって、
前記入力スラブおよび前記出力スラブは、相似形であることを特徴とする波長合分波装置。
【請求項５】
請求項１に記載の波長合分波装置であって、
前記各チャネル導波路は、前記入力スラブとの接続部分における導波路の幅が、前記出力スラブとの接続部分における導波路の幅よりもそれぞれ狭いことを特徴とする波長合分波装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長多重（ＷＤＭ）光通信において、波長が異なる複数の光を多重化して一本の光ファイバで送信した光を一つ一つの波長毎に分離する、あるいは波長が異なる複数の光を多重化し一本の光ファイバに入射させるために用いられる波長合分波装置に関し、特に、クラッドより屈折率が高いコアをクラッドで取り囲んで基板状にした光導波路を用いる波長合分波装置の低損失化技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光導波路を用いた波長合分波装置の構成例を図１０に示す。ただし、図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ平面図上の線Ａ−Ａ、Ｂ−ＢおよびＤ−Ｄで切断した断面図である。
従来の波長合分波装置の光導波路は、図１０（ｂ）に例示するように、基板１０１上に形成されたクラッド１０２とコア１０３により構成される。コア１０３はクラッド１０２より屈折率が高く、且つ、周囲をクラッド１０２で取り囲まれている。
【０００３】
図１０（ａ）に示したパターン２〜６はコアパターンによって形成されるものであって、２は入力導波路、３は入力スラブ、４はチャネル導波路、５は出力スラブ、６は出力導波路である。ここでは入力導波路２と入力スラブ３の接続点を３０１、入力スラブ３とチャネル導波路４の境界面を３０２、チャネル導波路４と出力スラブ５の境界面を５０２、出力スラブ５と出力導波路６の境界面を５０４とする。また、図１０（ｂ）のｔは入力導波路２を構成するコア１０３の厚さ、ｗ２はその幅である。さらに、図１０（ｄ）のＰ１は境界面３０２における各チャネル導波路４を構成するコア１０３の間隔、ｗ４は各々のコア１０３の幅である。加えて、図１０（ａ）に示したＰ２は境界面５０２における各チャネル導波路４を構成するコア１０３の間隔である。なお、コア１０３の厚さｔは、入力導波路２、入力スラブ３、チャネル導波路４、出力スラブ５および出力導波路６で全て同じである。また、各チャネル導波路４は、図１０（ａ）で下側から上側に向かって徐々に長くなっており、隣り合うコアパターンの入力スラブ３から出力スラブ５までの光路差が一定になるよう各々の長さが調節されているものとする。
【０００４】
従来の波長合分波装置において、入力スラブ３とチャネル導波路４の境界面３０２は、点３０１を中心とする曲率半径ｒ１の円弧状境界面となり、また、チャネル導波路４と出力スラブ５の境界面５０２は、点５０１を中心とする曲率半径ｒ２の円弧状境界面となっていて、各々の曲率半径ｒ１，ｒ２が等しくなるように設計される。また、入力スラブ３側に位置する各チャネル導波路４のコア間隔Ｐ１と出力スラブ５側に位置する各チャネル導波路４のコア間隔Ｐ２も等しくなるように設計されるのが一般的である。
【０００５】
このような従来の波長合分波装置に対して、例えば波長λ１，λ２，λ３の光を多重化させ入力導波路２に入力すると、各出力導波路６では各々の波長λ１〜λ３の光が分離された状態で出力される。逆に、各出力導波路６に各々の波長λ１〜λ３の光を入射させると、入力導波路２では波長λ１〜λ３の光が多重化された状態で出力される。
【０００６】
ところで、上記のような構造の波長合分波装置では、図１０（ｃ）に例示したように、各チャネル導波路４が入力スラブ３と接続される部分にギャップＧが存在する。このギャップＧは、入力導波路２から入射され入力スラブ３を伝搬して各チャネル導波路４に結合する光の損失要因となる。このため、ギャップＧはできるだけ狭い方が望ましい。
【０００７】
一方、チャネル導波路４では各々の導波路を通過する光に位相差を形成する必要があるので、それぞれの導波路間で干渉が起こらないことが必要である。そのために、チャネル導波路４は、入力スラブ３との接続点以外では一定以上の間隔を保つように形成されなければならない。従来は、入力スラブ３との接続点におけるチャネル導波路４の間隔Ｐ１を一定に保つことによりそれ以外の部分も一定になるようにしている。
【０００８】
このように、チャネル導波路４の間隔Ｐ１を一定以上に保ったままギャップＧを小さくする方法のひとつとして、図１０（ａ）に例示したように、入力スラブ３とチャネル導波路４が接続される部分にテーパ形状部４０１を形成する方法が知られている。従来の波長合分波装置ではこのようにしてギャップＧを小さくし、入力スラブ３とチャネル導波路４の接続損失を低下させている。なお、図１０（ａ）の構成例においては、チャネル導波路４が出力スラブ５と接続する部分にもテーパ形状部４０２を形成している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の波長合分波装置において、例えば、コアの厚さｔが７μｍの導波路を用いると、入力スラブ３側の各チャネル導波路４のコア間隔Ｐ１はおよそ１８μｍ以上にする必要がある。このとき、損失低減のためには各チャネル導波路４のギャップＧをできるだけ小さくすればよいが、加工のためのフォトマスクの幅および加工の際の横方向のオーバーエッチング等により、現状の技術ではギャップＧを約３μｍ以下にすることが困難になる。そのため、テーパ形状部４０１を形成した場合でも、入力スラブ３とチャネル導波路４の接続部分で１ｄＢ以上の損失が生じてしまうという問題点がある。
【００１０】
従来の波長合分波装置について損失の低減を図ることを目的とした技術には、例えば、特許第２８６１９９６号公報や特開２０００−１３１５４１号公報等に記載されたものが知られている。これらの公知技術は、出力スラブと出力導波路の接続点におけるモード整合を行うことにより出力スラブと出力導波路の接続点における損失を低減することを目的としたものである。なお、より一般的には、入力スラブと入力導波路の接続部または出力スラブと出力導波路の接続部における接続損失の低減を目的としたものである。しかしながら、上記の公知技術では、前述したような入力スラブとチャネル導波路の接続部におけるモード整合に関しては言及されておらず、当該部分の損失低減という課題は解決されていない。
【００１１】
本発明は上記の点に着目してなされたもので、入力スラブとチャネル導波路の接続部分の損失をより小さくして装置全体の低損失化を実現可能にする波長合分波装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の波長合分波装置は、基板上に、光信号が一端から入力される少なくとも１本の入力導波路と、該入力導波路の他端が入力側の境界面に接続され、前記入力導波路からの光信号を前記基板の面方向に出力側の円弧状境界面まで自由伝搬させる入力スラブと、該入力スラブの出力側の円弧状境界面に各一端が接続され、互いに異なる導波路長を有する複数本のチャネル導波路と、該複数本のチャネル導波路の各他端が入力側の円弧状境界面に接続され、前記各チャネル導波路からの光信号を前記基板の面方向に出力側の境界面まで自由伝搬させる出力スラブと、該出力スラブの出力側の境界面に各一端が接続される複数本の出力導波路と、を備えて構成される。この波長合分波装置において、前記入力スラブの出力側の円弧状境界面の曲率半径が、前記出力スラブの入力側の円弧状境界面の曲率半径よりも小さく、且つ、前記入力スラブと前記各チャネル導波路の接続部分における前記各チャネル導波路の間隔が、前記各チャネル導波路と前記出力スラブの接続部分における前記各チャネル導波路の間隔より狭いことを特徴とするものである。
【００１３】
かかる構成の波長合分波装置では、入力導波路に入力された例えばＷＤＭ光等は、入力導波路を伝搬して入力スラブに送られ、その入力スラブ内を基板の面方向に自由伝搬して広がり、この広がったＷＤＭ光が出力側の円弧状境界面から複数本のチャネル導波路にそれぞれ導波される。各チャネル導波路を伝搬するＷＤＭ光は、各々の導波路の光路長の違いに応じた位相差が発生し、出力スラブの入力側の円弧状境界面に達して出力スラブ内を基板の面方向に自由伝搬する。このとき、各チャネル導波路で受ける位相差が波長によって異なるため、ＷＤＭ光の各光信号は波長によって異なる点に集光される。そして、各々の波長の光信号が対応する出力導波路に別れて伝搬し、各出力導波路から出射される。
【００１４】
上記のような光信号の伝搬過程において、入力スラブの円弧状境界面の曲率半径が、出力スラブの円弧状境界面の曲率半径よりも小さく、且つ、入力スラブと各チャネル導波路の接続部分における各チャネル導波路の間隔が、各チャネル導波路と出力スラブの接続部分における各チャネル導波路の間隔よりも狭く設定されていることにより、入力スラブとの接続部分における隣り合うチャネル導波路に励起される光（電界）の強度分布の重なり部分が増加するため、入力スラブ内を自由伝搬した光が各チャネル導波路に光結合される際の損失が低減されるようになる。
【００１５】
また、上記の波長合分波装置について、各チャネル導波路は、入力スラブとの接続部分近傍に、導波路の幅が入力スラブ方向に進むに従い狭くなるテーパ形状部をそれぞれ有するようにしてもよい。このような構成とすることにより、入力スラブとの接続部分における各チャネル導波路の幅に対して、励起される光の強度分布の幅がより広くなるため、隣り合うチャネル導波路の光強度分布の重なり部分がさらに増加し、入力スラブとチャネル導波路の接続部分における損失がより低減されるようになる。
【００１６】
さらに、上記各チャネル導波路については、テーパ形状部において導波路の幅が最も狭くなる部分と同じ一定幅の導波路からなる幅一定部を有し、その幅一定部を介してテーパ形状部が入力スラブに接続されるようにしてもよい。これにより、テーパ形状部の長さを短くすることが可能になるため、装置の小型化を図ることができるようになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態による波長合分波装置の構成を示す図である。ただし、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ平面図上の線Ａ−Ａ、Ｂ−ＢおよびＤ−Ｄで切断した断面図である。
【００１８】
図１（ａ）〜（ｄ）において、本波長合分波装置１Ａは、例えば上述の図１０に示した従来の構成と同様に、基板１０１上に形成されたクラッド１０２とコア１０３からなる光導波路を有し、その光導波路のコアパターンが入力導波路２、入力スラブ３、チャネル導波路４、出力スラブ５および出力導波路６からなり、入力スラブ３とチャネル導波路４の接続部分に位置する円弧状境界面３０２の曲率半径ｒ１を、チャネル導波路４と出力スラブ５の接続部分に位置する円弧状境界面５０２の曲率半径ｒ２より小さくし、且つ、入力スラブ２側の境界面３０２における各チャネル導波路４を構成するコア１０３の間隔Ｐ１を、出力スラブ５側の境界面５０２における各チャネル導波路４を構成するコア１０３の間隔Ｐ２より小さくしたことを特徴とする。なお、入力スラブ３の円弧状境界面３０２は、入力導波路２と入力スラブ３が接続される点３０１を中心とした半径ｒ１の円弧上に位置し、出力スラブ５の円弧状境界面５０２は、出力スラブ５と出力導波路６が接続される点５０１を中心とした半径ｒ２の円弧上に位置する境界面である。
【００１９】
基板１０１は、例えばシリコン基板等が使用される。その基板１０１上には、例えばガラス等で構成されたクラッド１０２およびコア１０３が形成され、コア１０３はクラッド１０２より屈折率が高く、且つ、周囲をクラッド１０２で取り囲まれている。具体的な構成の一例として、ここではコア１０３とクラッド１０２の比屈折率差を０．５％とし、コア１０３の厚さｔを７μｍとする。
【００２０】
なお、コアの厚さｔは全領域で同じであり、入力導波路２および出力導波路６並びにテーパ形状部４０２を除くチャネル導波路４のコア幅は７μｍである。また、ここでは、１本の入力導波路２が入力スラブ３に接続される一例を示したが、入力スラブ３に対して複数本の入力導波路２が接続されるようにしてもよい。入力スラブ３は、入力導波路２から入射された光を基板の面方向に自由伝搬させるよう面方向に広がったパターンである。ここでは、チャネル導波路４との接続部分の円弧状境界面３０２の半径ｒ１を例えば２０ｍｍとする。
【００２１】
複数のチャネル導波路４は、入力スラブ３で広げられた光を複数の光束に分離した後、各光に対して位相差を形成するように構成されたアレイ状の光導波路である。各チャネル導波路４は、各々の一端が入力スラブ３の円弧状境界面３０２に接続されると共に、それぞれの長さが異なり、且つ、隣接するコアパターンの光路差が一定となるように設計されている。ここでは、具体的な設計値の一例として、入力スラブ３に接続される各チャネル導波路４のコア１０３の間隔（ピッチ）Ｐ１を１０μｍ、ギャップＧを３μｍとする。一方、出力スラブ５に接続される各チャネル導波路４のコア１０３の間隔Ｐ２を２０μｍ、ギャップＧを３μｍとする。なお、本実施形態では、入力側の各チャネル導波路４についてはテーパ形状部を設けることなく入力スラブ３に接続され、出力側の各チャネル導波路４についてはテーパ形状部４０２を設けて出力スラブ５に接続されるものとする。
【００２２】
出力スラブ５は、チャネル導波路４を通過した光を基板の面方向に自由伝搬させるよう面方向に広がったパターンである。ここでは、チャネル導波路４との接続部分の円弧状境界面５０２の半径ｒ２を例えば４０ｍｍとする。また、この出力スラブ５は、半径ｒ２の円弧状境界面５０２のローランド円に相当する円弧状境界面５０４が境界面５０２に対向させて形成されていて、その境界面５０４上に複数本の出力導波路６が接続されるものとする。
【００２３】
なお、上記の入力スラブ３と出力スラブ５は相似形となるように設計するのがよい。また、入力スラブ３側および出力スラブ５側のチャネル導波路４のコア間隔Ｐ１，Ｐ２の比と、入力スラブ３および出力スラブ５の半径ｒ１，ｒ２の比も等しくなるように設計するのが望ましい。入力スラブ３および出力スラブ５の形状が相似であれば、上述の図１０に示した従来の波長合分波装置について、入力スラブ３の半径ｒ１を小さくし、且つ、入力スラブ３に繋がる各チャネル導波路４の直線部を延長するだけで、本波長合分波装置１Ａのコアパターンを描画できるため、設計作業を容易に行うことが可能になる。
【００２４】
次に、第１実施形態の波長合分波装置１Ａの動作について説明する。
まず、入力導波路２、入力スラブ３およびチャネル導波路４内の基本的な光の伝搬について説明する。
図２は、上述の図１０に示した従来の波長合分波装置の入力導波路２と入力スラブ３を伝搬する光（電界）の強度分布を例示する図である。ただし、図２（ａ）は波長合分波装置と対応させた光強度分布の変化を示す図であり、Ｑ１からＱ１１は位置を表し、Ｅ１からＥ１１は各々の位置Ｑ１〜Ｑ１１の光強度分布を示している。なお、ここでは図２（ａ）に例示したように直行座標であるＸ軸とＹ軸を取るものとする。このような座標系では入力導波路２に入射した光はＸ軸とＹ軸の両方に直交する軸であるＺ軸方向（入力導波路２が伸びている方向）に伝搬することになる。
【００２５】
また、図２（ｂ）は、図２（ａ）の位置Ｑ１〜Ｑ１０における光強度分布Ｅ１〜Ｅ１０の形状を示すものである。ここに「Ｘ−Ｙ面内ビーム形状」とは、Ｘ−Ｙ面上で見た光（電界）の強度分布の形状（通常は等高線分布図となるが図２（ｂ）では等高線を省略している）のことである。また、「ビームのＸ−Ｘ上強度分布」とは、前記「Ｘ−Ｙ面内ビーム形状」を示す図を線Ｘ−Ｘで切って、その断面を例えば紙面の下側から見たときの光強度分布（中央ほど強度が大なので、図に例示するような山形の分布になる）のことである。
【００２６】
図２（ａ）、（ｂ）に例示するように、入力導波路２上の位置Ｑ１における光強度分布Ｅ１と、入力導波路２および入力スラブ３の境界位置Ｑ２における光強度分布Ｅ２とは、幅が狭く高さが高い尖った分布形状となる。入力スラブ３内では、光は回折によって広がりながら伝搬するため、位置がＱ３，Ｑ４，…，Ｑ１０と進むに従い、光強度分布はその幅が広がりＥ３，Ｅ４，…，Ｅ１０に例示したような形状に変化する。そして、入力スラブ３を伝搬した光はチャネル導波路４との境界面３０２に達して各チャネル導波路４に光結合する。
【００２７】
このとき入力スラブ３を伝搬して広がった光の強度分布Ｅ１０と、各々のチャネル導波路４内に励起される光強度分布Ｅ１１（図２（ａ）には１本のチャネル導波路４に対応した強度分布が示してある）とは、各々の分布形状の類似性が高いほど結合効率が高くなる。
図３は、上述の図１０に示した従来の波長合分波装置における入力スラブ３を伝搬してチャネル導波路４に結合する光の損失要因を定性的に説明するための図である。ただし、図３（ａ）は図１０（ａ）のＣ−Ｃ断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の線Ｘｃ−Ｘｃ上の光強度分布を例示した図、図３（ｃ）は図１０（ａ）のＤ−Ｄ断面図、図３（ｄ）は図３（ｃ）の線Ｘｄ−Ｘｄ上の光強度分布である。なお、図３（ｂ）の光強度分布Ｅ１０は、図２の光強度分布Ｅ１０に等しく、図３（ｄ）の光強度分布Ｅ１１は、図２の光強度分布Ｅ１１に等しい。
【００２８】
図３（ｄ）において、曲線Ｅ１１ａは、各チャネル導波路４に励起されるの光強度分布Ｅ１１が重なり合って形成される光強度分布である。ここにＦ１は重なり合った光強度分布Ｅ１１ａの谷と山の高さの差である。入力スラブ３からチャネル導波路４に結合される光は、図３（ｂ）に示した入力スラブ３の光強度分布Ｅ１０のうちで、図３（ｄ）に示したチャネル導波路４の光強度分布Ｅ１１ａと重なり合う部分に相当するパワーが引き渡されることになる。
【００２９】
図３（ｅ）は、入力スラブ３の光強度分布Ｅ１０とチャネル導波路４の光強度分布Ｅ１１ａの重なりを定性的に示す図であって、白抜きで示した部分Ｅ１２が重ね合わせにより光結合する部分、斜線で示した部分Ｅ１３が光結合せずに損失となる部分である。図３（ｅ）に示すように、入力スラブ３とチャネル導波路４の間の結合損失を小さくするためには、損失となる部分Ｅ１３の面積を小さくすることが必要になる。
【００３０】
そこで、本実施形態では、前述したように入力スラブ３の半径ｒ１を出力スラブ５の半径ｒ２よりも小さくし、且つ、入力スラブ３側のチャネル導波路４のコア間隔Ｐ１を出力スラブ５側のチャネル導波路４のコア間隔Ｐ２よりも狭くすることで、以下に詳述するような作用により図３（ｅ）における損失部分Ｅ１３の面積を縮小可能にする。
【００３１】
図４は、本実施形態における入力スラブ３とチャネル導波路４の光強度分布とその結合の状態を示す図である。ただし、図４（ａ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の線Ｘｃ−Ｘｃ上の光強度分布、図４（ｃ）は図１（ａ）のＤ−Ｄ断面図、図４（ｄ）は図４（ｃ）の線Ｘｄ−Ｘｄ上の光強度分布である。また、図４（ｄ）の曲線Ｅ１１ａは各チャネル導波路４に励起される光強度分布Ｅ１１が重なり合って形成される光強度分布である。
【００３２】
本実施形態では、図４（ｃ）に示すように各チャネル導波路４のコア間隔Ｐ１を狭くしたことによって（図３（ｃ）に示した従来のコア間隔を参照）、光強度分布Ｅ１１のうちコア１０３の外に分布する成分の割合が増えるため、図４（ｄ）に示すように各チャネル導波路４に対応した光強度分布Ｅ１１の重なり部分が増加する。なお、図４（ｃ）の一例では、チャネル導波路４のコア幅も狭くすることにより重なり部分をより増加させている。
【００３３】
これにより、合成された光強度分布Ｅ１１ａの山と谷の差Ｆ２は、図３（ｄ）に示した差Ｆ１に比べて小さくなり、光強度分布Ｅ１１ａの凹凸が従来の場合に比べて小さくなる。従って、図４（ｅ）に示すように、入力スラブ３の光強度分布Ｅ１０とチャネル導波路４の光強度分布Ｅ１１ａを重ね合わせ後の損失成分に相当する部分Ｅ１３の面積が小さくなって、入力スラブ３とチャネル導波路４の間の結合損失が低減されるようになる。
【００３４】
ここで、チャネル導波路４のコア幅とそのコアを伝搬する光の強度分布との関係について説明する。
図５は、チャネル導波路４のコア幅ｗに対するコアを伝搬する光の強度分布の関係を示す図である。なお、図中の挿し絵（ａ）は、例えば図１（ａ）のＤ−Ｄ断面のチャネル導波路を構成するコアの一つを抜粋したものであり、グラフの曲線（ｂ）はコアを伝搬する光の強度分布の幅ω、（実際にはこのようにならないが）直線（ｃ）はコア幅ｗと光の強度分布の幅ωとが等しいと仮定した場合のｗとωの関係を示すものである。ここに光の強度分布の幅ωとは、光（電界）強度がピーク値の１／ｅ（ｅは自然対数）になる幅（全幅）のことである。なお、挿し絵（ａ）中のＥは光（電界）強度分布、グラフの曲線（ｂ）上の白丸ｗ１０は本実施形態による波長合分波装置のチャネル導波路４のコア幅に対応する点、白丸ｗ２０は従来の波長合分波装置のチャネル導波路４のコア幅に対応する点である。
【００３５】
図５に示すように、コア幅ｗをｗ２０からｗ１０に狭くする場合、コア幅ｗの縮小率に比べて光強度分布の幅ω（スポットサイズ）の縮小率が小さくなることが分かる。すなわち、コア幅ｗを狭くすると光強度分布のうちコアの外にはみ出す成分が増えてくる。そのため図４（ｄ）に例示したように光強度分布の重なりが増加し、光強度分布Ｅ１１ａの凹凸が小さくなる。その結果として、入力スラブ３とチャネル導波路４の間の光結合損失が低減されることになる。
【００３６】
また、本実施形態の波長合分波装置においては、高次モード放射による損失が低減されるという効果も生ずる。すなわち、上述の図１０に示したような従来の波長合分波装置では、入力スラブ３からチャネル導波路４のテーパ形状部４０１に光が入射すると、例えば図６に示すように、テーパの広い部分で高次モードが励起される。具体的には、入力スラブ３を伝搬した光がチャネル導波路４のテーパの開口が広がる方向から光が入射すると、山が一つの光強度分布を有する０次モード７１と山が二つの光強度分布を有する２次モード７２が誘起されチャネル導波路４を伝搬する。しかし、図６で右側に進みコア幅が狭くなると、この導波路は２次モード７２を伝搬させることができないため、２次モード７２のパワーＰ２２はコアの外に放射されるようになり、この成分が損失になる。
【００３７】
一方、図１に示した本実施形態の波長合分波装置では、チャネル導波路４の入り口部分（入力スラブ３に繋がる部分）のコア幅が均一で狭いため、上記のような２次モード７２が励起されることがない。よって、高次モード放射による損失が回避され、入力スラブ３側のチャネル導波路４における損失低減を図ることが可能になる。
【００３８】
具体的に、入力スラブ３の半径ｒ１を２０ｍｍ、入力スラブ３側のチャネル導波路４の間隔Ｐ１を１０μｍ、出力スラブ５の半径ｒ２を４０ｍｍ、出力スラブ５側のチャネル導波路４の間隔Ｐ２を２０μｍとして設計した本実施形態の波長合分波装置１Ａにおける挿入損失は、例えば４．８ｄＢとなることが確認された。一方、入力スラブ３の半径ｒ１を４０ｍｍ、入力スラブ３側のチャネル導波路４の間隔Ｐ１を２０μｍとし、他の構造パラメータを本実施形態と同じにした従来の波長合分波装置の挿入損失は、例えば５．４ｄＢとなる。この場合、本実施形態の波長合分波装置は、従来の構成に比べて０．６ｄＢの損失低減効果を得ることができる。
【００３９】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図７は、第２実施形態による波長合分波装置の構成を示す図である。ただし、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ平面図上の線Ａ−Ａ、Ｂ−ＢおよびＤ−Ｄで切断した断面図である。なお、第１実施形態の構成と同様の部分には同じ符号を付して説明を省略し、以下、他の実施形態においても同様とする。
【００４０】
図７（ａ）〜（ｄ）において、本波長合分波装置１Ｂの構成が上述の図１（ａ）〜（ｄ）に示した第１実施形態の構成と異なる部分は、入力スラブ３との接続部分近傍に位置する各チャネル導波路４に、入力スラブ３に向かってコア幅ｗ４が狭くなるテーパ形状部４０１ａを形成すると共に、入力スラブ３の半径ｒ１をさらに小さくした部分である。図７（ｄ）の断面図に示すように、各チャネル導波路４のコア幅ｗ４を狭くしたため、各々のコア１０３の間隔Ｐ１も狭くなっている。なお、ギャップＧについては従来の構成または第１実施形態の構成と同様である。
【００４１】
入力スラブ３は、ここではチャネル導波路４との接続部分の円弧状境界面３０２の半径ｒ１を例えば１０ｍｍとする。また、各チャネル導波路４は、例えば、入力スラブ３に接続されるコアの間隔Ｐ１を５μｍ、コア幅ｗ４を２μｍ、ギャップＧを３μｍとし、また、入力スラブ３側に位置するテーパ形状部４０１ａの長さを１ｍｍとする。
【００４２】
なお、出力スラブ５に接続される各チャネル導波路４のコア間隔Ｐ２および出力スラブ５の半径ｒ２は、前述した第１実施形態の場合と同様に、Ｐ２＝２０μｍおよびｒ２＝４０ｍｍである。また、光導波路のコア１０３とクラッド１０２の比屈折率差やコア１０３の厚さｔについても第１実施形態の場合と同様とする。さらに、入力導波路２、出力導波路５並びにテーパ形状部４０１，４０２を除くチャネル導波路４のコア幅は、第１実施形態の場合と同様に７μｍである。
【００４３】
上記のような構成の波長合分波装置１Ｂでは、入力スラブ３に接続するチャネル導波路４の幅ｗ４が、前述の図５に例示した光導波路のコア幅ｗと当該コアを伝搬する光の強度分布の幅ωの関係におけるコア幅ｗ３０に該当する。このとき、光の強度分布の幅ωはコア幅ｗ４の２倍から３倍に広がることになる。このため、各チャネル導波路４に励起される光強度分布Ｅ１１の重なり部分が、第１実施形態の場合に比べて大幅に増加するようになる。
【００４４】
図８は、第２実施形態における入力スラブ３とチャネル導波路４の光強度分布とその結合の状態を示す図である。ただし、図８（ａ）は図７（ａ）のＣ−Ｃ断面、図８（ｂ）は図８（ａ）の線Ｘｃ−Ｘｃ上の光強度分布、図８（ｃ）は図７（ａ）のＤ−Ｄ断面、図８（ｄ）は図８（ｃ）の線Ｘｄ−Ｘｄ上の光強度分布、図８（ｅ）は入力スラブ３およびチャネル導波路４の各光強度分布を重ね合わせた図である。
【００４５】
図８（ｃ）に示すように、本実施形態では、各チャネル導波路４に励起されるの光強度分布Ｅ１１の重なり部分が、前述の図４（ｃ）に示した第１実施形態の場合に比べて大幅に増加することが分かる。これは各チャネル導波路４のコア幅ｗ４およびコア間隔Ｐ１を狭くしたためであり、各チャネル導波路４に対応した光強度分布Ｅ１１のうちコア１０３の外に分布する成分の割合が増えて、隣り合うチャネル導波路４間の光強度分布Ｅ１１の重なり部分が増加する。このため、各々の光強度分布Ｅ１１を合成した光強度分布Ｅ１１ａの山と谷の差Ｆ３が小さくなり、図４（ｃ）に示した第１実施形態の場合に比べて光強度分布Ｅ１１ａの凹凸がさらに小さくなる。これにより、図８（ｅ）に示すように、重ね合わせ後の損失成分Ｅ１３の面積がより小さくなり、入力スラブ３とチャネル導波路４の間の光結合損失が一層低減されるという効果が生ずる。
【００４６】
具体的に、本実施形態の波長合分波装置１Ｂの挿入損失は、例えば３．９ｄＢとなることが確認された。この場合、本波長合分波装置１Ｂは、上述した従来の波長合分波装置の挿入損失５．４ｄＢに比べて１．５ｄＢの損失低減効果を得ることができ、また、第１実施形態の波長合分波装置１Ａの挿入損失４．８ｄＢに比べて０．９ｄＢの損失低減効果を得ることができる。
【００４７】
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
前述した第２実施形態の波長合分波装置１Ｂでは、テーパ形状部４０１ａにおいて、コア幅の変化に対応して導波路を伝搬する光の強度分布の幅が変化する必要があるが、コア幅の変化が急激であると強度分布の幅の変化が追従できず、所望の伝搬特性が得られなくなる可能性がある。この問題を避けるためには、テーパ形状部４０１ａの長さを１ｍｍ程度にすることが望ましい。しかし、テーパ形状部４０１ａが長くなると波長合分波装置が大型化してしまうという問題が生じる。そこで、第３実施形態では、テーパ形状部４０１ａの長さを短くするための応用例について考える。
【００４８】
図９は、第３実施形態による波長合分波装置の構成を示す図である。ただし、図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ平面図上の線Ａ−Ａ、Ｂ−ＢおよびＤ−Ｄで切断した断面図である。
図９（ａ）〜（ｄ）において、本波長合分波装置１Ｃの構成が上述の図７（ａ）〜（ｄ）に示した第２実施形態の構成と異なる部分は、入力スラブ３との接続部分近傍に位置する各チャネル導波路４に、テーパ形状部４０１ａのコア幅が最も狭い部分と同じコア幅で一定となる幅一定部４０３を形成した部分である。具体的に、本波長合分波装置１Ｃでは、幅一定部４０３の長さを例えば０．１ｍｍとし、それに繋がるテーパ形状部４０１ａの長さを例えば０．５ｍｍとする。なお、入力スラブ２および出力スラブの半径ｒ１，ｒ２やチャネル導波路４の入力側および出力側のコア間隔Ｐ１，Ｐ２等の各設計値については、第２実施形態の場合と同様である。
【００４９】
上記のような構成の波長合分波装置１Ｃでは、入力スラブ３に接続するチャネル導波路４に幅一定部４０３を設けたことで、テーパ形状部４０１ａの長さを短くすることができる。ここでは、長さが０．１ｍｍの幅一定部４０３を設けることにより、テーパ形状部４０１ａの長さを０．４ｍｍまで短くすることができる。これは、導波路を伝搬する光の強度分布の幅の変化がテーパ形状部４０１ａのコア幅の変化に追従できなくても、伝搬光が幅一定部４０３を通過することにより、当該光の強度分布の幅が幅一定部４０３における強度分布の幅に落ち着くことによる。これにより、第２実施形態の場合に比べてテーパ形状部４０１ａを短くすることできるため、波長合分波装置１Ｃの小型化を図ることが可能になる。
【００５０】
上記のようにチャネル導波路４に幅一定部４０３を形成することでテーパ形状部４０１の長さを０．５ｍｍまで短縮した場合でも、その挿入損失は例えば３．９ｄＢとなることが確認されたため、本波長合分波装置１Ｃは第２実施形態の場合と同じ損失低減効果を得ることが可能である。
なお、上述した第１〜３実施形態では、波長合分波装置の各部について具体的な設計値を示して説明を行ったが、これらの値は一例であって本発明はこれに限定されるものではない。
【００５１】
以上、本明細書で開示した主な発明について以下にまとめる。
【００５２】
（付記１）　基板上に、光信号が一端から入力される少なくとも１本の入力導波路と、該入力導波路の他端が入力側の境界面に接続され、前記入力導波路からの光信号を前記基板の面方向に出力側の円弧状境界面まで自由伝搬させる入力スラブと、該入力スラブの出力側の円弧状境界面に各一端が接続され、互いに異なる光路長を有する複数本のチャネル導波路と、該複数本のチャネル導波路の各他端が入力側の円弧状境界面に接続され、前記各チャネル導波路からの光信号を前記基板の面方向に出力側の境界面まで自由伝搬させる出力スラブと、該出力スラブの出力側の境界面に各一端が接続される複数本の出力導波路と、を備えて構成される波長合分波装置において、
前記入力スラブの出力側の円弧状境界面の曲率半径が、前記出力スラブの入力側の円弧状境界面の曲率半径よりも小さく、且つ、前記入力スラブと前記各チャネル導波路の接続部分における前記各チャネル導波路の間隔が、前記各チャネル導波路と前記出力スラブの接続部分における前記各チャネル導波路の間隔より狭いことを特徴とする波長合分波装置。
【００５３】
（付記２）　付記１に記載の波長合分波装置であって、
前記各チャネル導波路は、前記入力スラブとの接続部分近傍に、導波路の幅が入力スラブ方向に進むに従い狭くなるテーパ形状部をそれぞれ有することを特徴とする波長合分波装置。
【００５４】
（付記３）　付記２に記載の波長合分波装置であって、
前記各チャネル導波路は、それぞれ、前記テーパ形状部において導波路の幅が最も狭くなる部分と同じ一定幅の導波路からなる幅一定部を有し、該幅一定部を介して前記テーパ形状部が前記入力スラブに接続されることを特徴とする波長合分波装置。
【００５５】
（付記４）　付記１に記載の波長合分波装置であって、
前記入力スラブおよび前記出力スラブは、相似形であることを特徴とする波長合分波装置。
【００５６】
（付記５）　付記１に記載の波長合分波装置であって、
前記各チャネル導波路は、前記入力スラブとの接続部分における導波路の幅が、前記出力スラブとの接続部分における導波路の幅よりもそれぞれ狭いことを特徴とする波長合分波装置。
【００５７】
（付記６）　付記１に記載の波長合分波装置であって、
前記各チャネル導波路は、前記出力スラブとの接続部分近傍に、導波路の幅が出力スラブ方向に進むに従い広くなるテーパ形状部をそれぞれ有することを特徴とする波長合分波装置。
【００５８】
（付記７）　付記１に記載の波長合分波装置であって、
前記出力スラブは、出力側の境界面が入力側の円弧状境界面のローランド円に相当する円弧上に位置することを特徴とする波長合分波装置。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の波長合分波装置は、入力スラブの円弧状境界面の曲率半径が、出力スラブの円弧状境界面の曲率半径よりも小さく、且つ、入力スラブと各チャネル導波路の接続部分における各チャネル導波路の間隔が、各チャネル導波路と出力スラブの接続部分における各チャネル導波路の間隔よりも狭く設定されることによって、入力スラブとの接続部分における隣り合うチャネル導波路に励起される光（電界）の強度分布の重なり部分が増加するため、入力スラブとチャネル導波路の接続部分の損失を低減することができ、装置全体の低損失化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による波長合分波装置の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ平面図上の線Ａ−Ａ、Ｂ−ＢおよびＤ−Ｄで切断した断面図である。
【図２】従来の波長合分波装置について入力導波路と入力スラブを伝搬する光の強度分布を例示する図であって、（ａ）は波長合分波装置と対応させた光強度分布の変化を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の各位置における光強度分布の形状を示す図である。
【図３】従来の波長合分波装置について入力スラブを伝搬してチャネル導波路に結合する光の損失要因を定性的に説明するための図である。
【図４】上記の第１実施形態における入力スラブおよびチャネル導波路の光強度分布とその結合の状態を示す図であって、（ａ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｂ）は（ａ）の線Ｘｃ−Ｘｃ上の光強度分布、（ｃ）は図１（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｄ）は（ｃ）の線Ｘｄ−Ｘｄ上の光強度分布、（ｅ）は入力スラブおよびチャネル導波路の各光強度分布を重ね合わせた図である。
【図５】上記の第１実施形態について、チャネル導波路のコア幅に対するコアを伝搬する光の強度分布の関係を示す図である。
【図６】従来の波長合分波装置についてテーパ形状部で励起される高次モードとその伝搬の状態を例示する図である。
【図７】本発明の第２実施形態による波長合分波装置の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ平面図上の線Ａ−Ａ、Ｂ−ＢおよびＤ−Ｄで切断した断面図である。
【図８】上記の第２実施形態における入力スラブおよびチャネル導波路の光強度分布とその結合の状態を示す図であって、（ａ）は図７（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｂ）は（ａ）の線Ｘｃ−Ｘｃ上の光強度分布、（ｃ）は図７（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｄ）は（ｃ）の線Ｘｄ−Ｘｄ上の光強度分布、（ｅ）は入力スラブおよびチャネル導波路の各光強度分布を重ね合わせた図である。
【図９】本発明の第３実施形態による波長合分波装置の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ平面図上の線Ａ−Ａ、Ｂ−ＢおよびＤ−Ｄで切断した断面図である。
【図１０】従来の光導波路を用いた波長合分波装置の構成例を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ平面図上の線Ａ−Ａ、Ｂ−ＢおよびＤ−Ｄで切断した断面図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ　　波長合分波装置
２　　入力導波路
３　　入力スラブ
４　　チャネル導波路
５　　出力スラブ
６　　出力導波路
１０１　　基板
１０２　　クラッド
１０３　　コア
３０２，５０２　　円弧状境界面
４０１ａ，４０２　　テーパ形状部
４０３　　幅一定部
Ｐ１　　入力スラブ側のチャネル導波路のコア間隔
Ｐ２　　出力スラブ側のチャネル導波路のコア間隔
ｒ１　　入力スラブの曲率半径
ｒ２　　出力スラブの曲率半径
【図１】
2004012867.tif 000003
【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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