(57)【要約】【課題】光合分波器に用いられるアレイ導波路（ＡＷＧ）を、小型で挿入損失の低い構成とする。【解決手段】この発明の光合分波器１０は、基板１１と、基板上に設けられた比屈折率差の高い第１の導波路部分１３，１５，１６と、基板上に設けられ、外部との接続に用いられるシングルモードファイバとの接続損失を低減可能に、第１の導波路部分に比較して比屈折率差の低い第２の導波路部分１２，１４，１５，１６と、を有する。比屈折率差は、互いに近接した領域を含む導波路１５，１６により切り換えられる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に積層されたコアと前記コアを覆うクラッドからなり、前記コアに任意の曲率が与えられたアレイ導波路と、基板上に積層されたコアと前記コアを覆うクラッドからなり、入力導波路を介して入力された光信号を前記アレイ導波路に入力させる第１のスラブ導波路と、基板上に積層されたコアと前記コアを覆うクラッドからなり、前記アレイ導波路から出力された光信号を出力導波路に出力させる第２のスラブ導波路と、からなるアレイ導波路型光合分波器において、
前記第１および第２のスラブ導波路の所定の位置を境界として、前記アレイ導波路側の前記コアと前記クラッドとにより規定される比屈折率差が、前記第１および第２のスラブ導波路の残りの領域の比屈折率差よりも高いことを特徴とする光合分波器。
【請求項２】
前記アレイ導波路側の比屈折率差は、１．５〜１．７であり、残りの領域の比屈折率差は、０．３〜０．５であることを特徴とする請求項１記載の光合分波器。
【請求項３】
前記第１および第２のスラブ導波路は、前記比屈折率差の高い導波路部分と前記比屈折率差の低い導波路部分とを、屈折率整合剤を介して接続したものであることを特徴とする請求項１または２記載の光合分波器。
【請求項４】
前記第１および第２のスラブ導波路において、前記比屈折率差の低い導波路部分は、比屈折率差が前記入力導波路または前記出力導波路と等しいことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光合分波器。
【請求項５】
前記第１のスラブおよび第２のスラブ導波路において、前記比屈折率差が異なる各々の領域は、前記比屈折率差の低い導波路部分または前記比屈折率差の高い導波路部分のいずれか一方に対応する部分をマスクして他方を形成した後、前記他方をマスクして前記一方を形成する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光合分波器。
【請求項６】
前記第１のスラブおよび第２のスラブ導波路において、前記比屈折率差が異なる各々の領域は、前記比屈折率差の低い導波路部分または前記比屈折率差の高い導波路部分のいずれか一方に対応する部分をその導波路全域に形成した後、形成された比屈折率差とは異なる他の一方の比屈折率差の領域が形成される導波路部分に対応する領域を除去した後、前記一方に対応する部分をマスクして形成する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光合分波器。
【請求項７】
前記第１および第２のスラブ導波路において、前記比屈折率差が異なる各々の領域は、それぞれ前記基板上に貼り合わせられる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光合分波器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光通信の分野における波長分割多重方式に利用可能で、異なる波長の信号を合波または分波する光合分波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信の分野において、波長の異なる複数の信号を多重化して伝達することで伝送容量を増大する方法（波長分割多重方式）が既に実用化されている。
【０００３】
この方式において、異なる波長の信号を合波または分波する光合分波器が重要な役割を占めている。
【０００４】
なかでもアレイ導波路型回折格子（ＡＷＧ）は、チャンネル数によらず、多チャンネル化に有益である。また、任意数のチャンネルを、同一プロセス・同一工程数で作成可能であり、原理的にも損失や特性劣化が少ない特徴がある。
【０００５】
近年、情報量の急激な増加にともなって、国際標準規格で設定されている１００ＧＨｚ（約０．８ｎｍ）のチャンネル相互間の波長間隔よりも狭い波長間隔、例えば５０ＧＨｚまたは２５ＧＨｚに狭帯域化することが検討されており、チャンネル数も６４ｃｈまたは１２８ｃｈとする試みがある。
【０００６】
しかしながら、現在光デバイスに広く利用されている光合分波器においては、導波路のコアとクラッドの比屈折率差がΔ＝０．３ないし０．８％であり、チャンネル数を増大しようとすると、導波路のサイズが大きくなり、単一のウエハ内に設置可能なデバイス数が少なくなることが知られている。
【０００７】
このため、ＡＷＧにおいて、（アレイ）導波路を比屈折率差を高めることが提案されている。しかしながら、導波路の比屈折率差を高めた場合、例えばＡＷＧとＡＷＧに接続されるシングルモードファイバ等との間のモードフィールド径の差が増大して、結合効率が低下し、接続損失が増大することが知られている。
【０００８】
このことから、ＡＷＧとシングルモードファイバ等との間に、ピッチ変換導波路やスポットサイズコンバータを介在させて、接続損失を低減することが提案されている。
【０００９】
なお、導波路を構成するコアとクラッドとの比屈折率差Δｃｌを０．８％よりも大きくし、ピッチ変換導波路の比屈折率差ΔｐをΔｃｌよりも小さくすることにより、導波路内での光の閉じ込め性を向上させて、光回路を小型化することが提案されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−２５８０７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載されているように、光合分波器の導波路の比屈折率差Δｃｌを０．８％よりも大きくした場合であっても、導波路とシングルモードファイバ等との間のモードミスマッチ損失（結合損失）を完全に抑制する、もしくは限りなく０に近づけることは困難である（導波路の比屈折率差を大きくすると、シングルモードファイバ等との間の結合損失が逆に増大することが多い）。
【００１１】
また、結合損失を低減するために、ピッチ変換導波路やスポットサイズコンバータを用いる場合、結果として光合分波器全体の大きさが大型になる問題がある。
【００１２】
さらに、ピッチ変換導波路やスポットサイズコンバータを用いる場合、製造上の誤差や組立誤差等に起因して、性能ばらつきが増大する問題がある。
【００１３】
この発明の目的は、光合分波器に用いられるもので、小型で挿入損失の低いアレイ導波路（ＡＷＧ）を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明は、基板上に積層されたコアと前記コアを覆うクラッドからなり、前記コアに任意の曲率が与えられたアレイ導波路と、基板上に積層されたコアと前記コアを覆うクラッドからなり、入力導波路を介して入力された光信号を前記アレイ導波路に入力させる第１のスラブ導波路と、基板上に積層されたコアと前記コアを覆うクラッドからなり、前記アレイ導波路から出力された光信号を出力導波路に出力させる第２のスラブ導波路と、からなるアレイ導波路型光合分波器において、前記第１および第２のスラブ導波路の所定の位置を境界として、前記アレイ導波路側の前記コアと前記クラッドとにより規定される比屈折率差が、前記第１および第２のスラブ導波路の残りの領域の比屈折率差よりも高いことを特徴とする光合分波器を提供するものである。
【００１５】
すなわち、上述した光合分波器によれば、アレイ導波路の入力側と出力側に位置される第１および第２のスラブ導波路の所定の位置を境界として、アレイ導波路側のコアとクラッドとにより規定される比屈折率差が、第１および第２のスラブ導波路の残りの領域の比屈折率差よりも高く構成されるので、アレイ導波路においてはその大きさが低減可能で、外部伝送路（シングルモードファイバ）と接続される入力導波路または出力導波路においてはピッチ変換導波路やスポットサイズコンバータが不要となる。
【００１６】
これにより、光合分波器の大きさが低減できるとともに、装置（光合分波器）のコストも低減できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、アレイ導波路部分の比屈折率差を外部伝送路との接続領域よりも高めたことにより、基板の大きさが低減されるとともに外部伝送路との間の接続損失が生じることが抑止でき、小型で挿入損失の低いアレイ導波路が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１９】
図１に示されるように、導波路型光合分波器１０は、基板１１上の所定の位置に設けられた入力導波路１２、基板１１上の所定の位置に設けられたアレイ導波路１３、基板１１上の所定の位置に設けられた出力導波路１４、および入力導波路１２とアレイ導波路１３ならびにアレイ導波路１３と出力導波路１４を光学的に接続する第１および第２のスラブ導波路１５，１６を有している。
【００２０】
なお、アレイ導波路１３は、第１および第２のスラブ導波路１５，１６間で、所定の曲率に形成されている。また、アレイ導波路１３に接続された第１および第２のスラブ導波路１５，１６のそれぞれの入力導波路１２側および出力導波路１４側の端部は、導波路型光合分波器１０を２以上接続して使用する場合に、互いに隣接する入力導波路１２と出力導波路１４との接続を容易とするため、実質的に同一の方向に向けられている（アレイ導波路１３の湾曲部分の回転量を扇形の中心角と同様の表示方法により表示した場合の角度が２７０°以上に設定されている）。さらに、詳述しないが、光合分波器１０の入力導波路１２、出力導波路１４、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）等の接続部端面は、反射量を低減するため、所定の角度、例えば８°（基板１１の面の延びる方向から見て８２°）程度、傾けられている。
【００２１】
図１に示した光合分波器１０においては、入力導波路１２には、詳述しないが、例えばシングルモードファイバ（ＳＭＦ）を介して、光信号が入力される。
【００２２】
一方、出力導波路１４からは、詳述しないが光合分波器１０の出力側に接続された複数のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）に向けて、分波された光信号が出力される。なお、出力導波路１４に入力される光信号は、第１のスラブ導波路１５、アレイ導波路１３および第２のスラブ導波路１６により、入力導波路１２を介して入力された多重信号が分波された所定波長間隔の個々の出力であることはいうまでもない。
【００２３】
第１および第２のスラブ導波路１５，１６は、それぞれ、入力導波路１２および出力導波路１４と接続される側の比屈折率差と、アレイ導波路１３と接続される側の比屈折率差とが、スラブ導波路の非端面部分の所定の位置で異なる大きさに設定されている。また、図示しないが屈折率整合（index matching）剤が、屈折率差が異なる領域間に満たされている。
【００２４】
より詳細には、第１のスラブ導波路１５において、入力導波路１２側部分の比屈折率差ΔＩがΔＩ＝０．３〜０．５に、アレイ導波路１３側部分の比屈折率差ΔＡがΔＡ＝１．５〜１．７に、それぞれ設定されている。すなわち、アレイ導波路１３側部分の比屈折率差ΔＡが入力導波路１２側部分の比屈折率差ΔＩよりも大きく設定されている。換言すると、第１のスラブ導波路１５は、入力導波路１２側が低比屈折率差領域で、アレイ導波路１３側が高比屈折率差領域に形成されている。
【００２５】
これに対し、第２のスラブ導波路１６においては、アレイ導波路１３側部分の比屈折率差ΔＡはΔＡ＝１．５〜１．７で、出力導波路１４側部分の比屈折率差ΔＯがΔＯ＝０．３〜０．５に、設定されている。すなわち、アレイ導波路１３側部分の比屈折率差ΔＡよりも出力導波路１４側部分の比屈折率差ΔＯが小さく設定されている。換言すると、第２のスラブ導波路１５は、アレイ導波路１３側が高比屈折率差領域で、出力導波路１４側が低比屈折率差領域に形成されている。
【００２６】
なお、入力導波路１２側部分の比屈折率差ΔＩと出力導波路１４側部分の比屈折率差ΔＯは、概ね等しいか、上述の範囲内で互いに異なる値であってもよい。
【００２７】
従って、アレイ導波路型光合分波器１０においては、図示しないが、断面方向に関し、基板１１と第１および第２のスラブ導波路１５，１６のそれぞれにおけるコアおよびクラッドのそれぞれにおいて「低比屈折率差領域」および「高屈折率差領域」を提供可能に、互いに異なる屈折率が与えられることになる。例えば基板１１をシリコン（Ｓｉ）とした場合、図示しないバッファ層上に、コア部分とクラッド部分とが、所定の順に積層され、またはスラブ導波路１５，１６としての第１の屈折率差部分（低比屈折率差領域）と第２の屈折率差部分（高比屈折率差領域）とが、基板１１上に、接着される。
【００２８】
また、それぞれのスラブ導波路１５，１６において、入力導波路１２側部分および出力導波路１４側部分の比屈折率差Δは、入力導波路１２に光信号を入力するシングルモードファイバ（ＳＭＦ）あるいは出力導波路１４からの光信号を受け入れて伝送するシングルモードファイバ（ＳＭＦ）の少なくとも一方の比屈折率差Δと概ね等しい大きさである。
【００２９】
この場合、低比屈折率差領域のコアの屈折率ＮＬcoreは、例えばＮＬcore＝１．４５０６（Ｇｅドープ）、同クラッドの屈折率ＮＬcladは、例えばＮＬclad＝１．４４４０（ｎｏｎドープ）、高比屈折率差領域のコアの屈折率ＮＨcoreは、例えばＮＨcore＝１．４６６２（Ｇｅドープ）、同クラッドの屈折率ＮＨcladは、例えばＮＨclad＝１．４４４０（ｎｏｎドープ）により、容易に形成される。
【００３０】
また、第１および第２のスラブ導波路１５および１６において、比屈折率差を変化させる位置は、それぞれのスラブ導波路１５，１６の端面以外であれば、各スラブ導波路領域内の任意の位置に設定可能である。なお、比屈折率差を変化させる位置は、好ましくは、アレイ導波路１３から離れている側、すなわち第１のスラブ導波路１５においては、入力導波路１２との接続部の近傍、第２のスラブ導波路１６においては、出力導波路１４との接続部との近傍である。
【００３１】
より詳細には、入力導波路１２および出力導波路１４の比屈折率差をアレイ導波路１３の領域の比屈折率差よりも低くすることにより、モードフィールド径が増大される。すなわち、外部伝送路として用いられるシングルモードファイバ（ＳＭＦ）のモードフィールド径に光合分波器１０の入力導波路１２および出力導波路１４のモードフィールド径を近づけることができ、この結果、シングルモードファイバとの間の接続損失（結合損失）が低減される。これにより、例えばスポットサイズコンバータやピッチ変換導波路が不要となり、挿入損失を抑止しながら、光合分波器１０の大きさを低減できる。
【００３２】
また、第１のスラブ導波路１５は、横（基板１１の面方向）に大きく開いた空間（自由伝搬空間）であり、入力導波路１２の比屈折率差を小さく（低く）設定した場合であっても、入力導波路１２とスラブ導波路１５との間の損失は、無視できる程度に小さい。
【００３３】
一方、第２のスラブ導波路１６と出力導波路１４との接続部では、アレイ導波路１３を用いる原理から、第１のスラブ導波路１５の入り口での界分布像が第２のスラブ導波路１６の出口に結像されることに起因して、第２のスラブ導波路１６の出口での界分布は、出力導波路１４のモードに一致される。従って、第２のスラブ導波路１６と出力導波路１４との間で損失が生じることもない。
【００３４】
換言すると、図１に示したアレイ導波路型光合分波器１０は、基板（１１）上に積層されたコアとコアを覆うクラッドとからなり、コアに任意の曲率が与えられたアレイ導波路（１３）と、基板上に積層されたコアとコアを覆うクラッドとからなり、入力導波路（１２）を介して入力された光信号をアレイ導波路に入力させる第１のスラブ導波路（１５）と、基板上に積層されたコアとコアを覆うクラッドとからなり、アレイ導波路から出力された光信号を出力導波路（１４）に出力させる第２のスラブ導波路（１６）と、を有し、第１および第２のスラブ導波路の所定の位置を境界として、アレイ導波路側のコアとクラッドとにより規定される比屈折率差が、第１および第２のスラブ導波路の残りの領域の比屈折率差よりも高いことを特徴とする。
【００３５】
次に、第１および第２のスラブ導波路１５，１６の領域内にコアとクラッドの比屈折率差の異なる高比屈折率差領域と低比屈折率差領域を形成する方法を説明する。
【００３６】
図１において、基板（Ｓｉ）１１に、図示しないが所定の厚さのバッファ層を形成し、バッファ層に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により、入力導波路１２、第１のスラブ導波路１５、アレイ導波路１３、第２のスラブ導波路１６および出力導波路１４のそれぞれのコア領域に対応される第１の屈折材を、所定厚さに堆積する（気相成長させる）。
【００３７】
続いて、それぞれの導波路のコア領域に対応される領域以外の領域に堆積された第１の屈折材を、例えばエッチングにより除去し、「低比屈折率差領域」または「高比屈折率差領域」のいずれか一方とすべき領域以外の領域を、所定形状のマスク（図１に、境界部分を点線で示している）により遮蔽し、残りの領域に、前に形成されたコア領域と密着されることで、コア領域との間に、低比屈折率差（または高比屈折率差）の第１のクラッド領域に対応される第２の屈折材を、例えばＣＶＤにより、所定厚さに堆積する。なお、境界部分（屈折材料変更ライン）を、細い導波路中ではなく、スラブ導波路１５内に設定することで、高比屈折率差領域と低比屈折率差領域での接続損失をほとんど生じさせないで済む。
【００３８】
次に、マスクを、第２の屈折材の堆積に用いた形状と反対（逆）の形状のマスクと交換し、前に形成されたコア領域と密着されることでコア領域との間に高比屈折率差（または低比屈折率差の）第２のクラッド領域に対応される第３の屈折材を、所定厚さに堆積する。
【００３９】
なお、高比屈折率差を示す第３の屈折材が堆積される領域は、図１を用いて前に説明した通り、第１および第２のスラブ導波路１５，１６のアレイ導波路１３側の所定の領域を覆う部分ならびにアレイ導波路１３の全域を覆う部分である。また、低比屈折率差を示す第２の屈折材が堆積される領域は、図１を用いて前に説明した通り、第１および第２のスラブ導波路１５，１６のそれぞれの入力導波路１２側および出力導波路１４側の所定の領域を覆う部分であることはいうまでもない。
【００４０】
また、マスクの交換に代え、第３の屈折材を所定厚さに堆積する前に、第３の屈折材を堆積すべき領域に堆積された第２の屈折材を、例えばエッチングにより除去してもよい。
【００４１】
さらに、図１において、基板（Ｓｉ）１１に、図示しないが所定の厚さのバッファ層を形成し、バッファ層上に、第１のスラブ導波路１５、アレイ導波路１３および第２のスラブ導波路１６のそれぞれのコア領域に対応される第１の屈折材および第１の屈折材を覆う高比屈折率差領域に、第１の屈折材に密着された第２の屈折材が所定厚さに形成された高比屈折率差部分と、入力導波路１２、第１および第２のスラブ導波路１５，１６ならびに出力導波路１４のそれぞれのコア領域に対応される第１の屈折材および第１の屈折材を覆う低比屈折率差領域に、第１の屈折材に密着された第３の屈折材が所定厚さに形成された低比屈折率差部分と、が一体に貼り合わせらてもよい。
【００４２】
なお、第１および第２のスラブ導波路１５，１６の領域内にコアとクラッドの比屈折率差の異なる高比屈折率差領域と低比屈折率差領域を形成する例としては、上述したような比屈折率差を、アレイ導波路１３、第１のスラブ導波路１５および第２のスラブ導波路１６のそれぞれのコアに用いられる第１の屈折材の屈折率を固定し、クラッドに用いられる第２および第３の屈折材の屈折率を変化させる例に加えて、実際の屈折材の屈折率の数値例として説明したように、コアに用いられる第１の屈折材の屈折率を、「高比屈折率差領域」と「低比屈折率差領域」のそれぞれで変化させ、クラッドに用いられる第２の屈折材の屈折率を固定することも可能である。
【００４３】
この場合、前に説明した数値例と重複するが、図１を用いて前に説明したアレイ導波路型光合分波器１０を製造する際に、基板１１上に設けられるバッファ層に、予め高比屈折率差領域（または低比屈折率差領域）とすべき（図１に点線出示している）境界部分から低比屈折率差領域（または高比屈折率差領域）のいずれか一方とすべき領域以外の領域を所定形状のマスクにより遮蔽し、マスクにより遮蔽されていない非マスク領域に、第１の屈折率の屈折材を所定厚さに形成して第１のコア領域を形成し、マスク領域が反対の別のマスクにより第１のコア領域を遮蔽したのち、残りの領域に、第１の屈折率の屈折材とは異なる屈折率を示す第２の屈折材を所定厚さに形成して第２のコア領域を形成し、マスクを取り外した後、それぞれのコア領域と密着されるクラッド領域、すなわち第３の屈折率の屈折材を所定厚さに形成してもよいことはいうまでもない。もちろん、それぞれの屈折材は、例えばＣＶＤ法により所定厚さに堆積される。
【００４４】
また、上述した工程において、マスクを交換してコア領域の第１の屈折率の屈折材が形成される領域とコア領域の第２の屈折率の屈折材が形成される領域とを変更する方向に代えて、基板１１の所定の領域または概ね全面に、第１（または第２）の屈折率の屈折材を所定厚さに形成したのち、第２（または第１）の屈折率の屈折材を配置すべき領域に形成された第１（または第２）の屈折率の屈折材を、例えばエッチングなどにより除去して、第２（または第１）の屈折率の屈折材を配置すべき領域に形成してもよいことはいうまでもない。
【００４５】
以上説明したように、図１により説明したアレイ導波路型光合分波器１０においては、周知のスポットサイズコンバータもしくはピッチ変換導波路が必要なく、しかも入力導波路１２あるいは出力導波路１４に接続されるシングルモードファイバ（ＳＭＦ）との間で、不所望な結合損失が生じる程度が、０．１ｄＢと低い合分波器が得られる。
【００４６】
また、本発明によれば、損失が少なく、全体の大きさも低減されたアレイ導波路型光合分波器が提供可能となる。
【００４７】
なお、この発明は、前記各実施の形態に限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々な変形もしくは変更が可能である。また、各実施の形態は、可能な限り適宜組み合わせて実施されてもよく、その場合、組み合わせによる効果が得られる。
【００４８】
また、この発明の実施の形態は、たとえばチャンネル数が１２８チャンネル、６４チャンネル、３２チャンネルもしくは１６チャンネル等の周知のさまざまな光合分波器に適用可能であり、１枚のシリコンウエハから製造可能な光合分波器（ユニット）数が増加でき、光合分波器の単体コストが低減可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】この発明の実施の形態が適用されるアレイ導波路型光合分波器の一例を説明する概略図。
【符号の説明】
【００５０】
１０…アレイ導波路型光合分波器、１１…基板（Ｓｉ）、１２…入力導波路、１３…アレイ導波路（高比屈折率差領域）、１４…出力導波路、１５…第１のスラブ導波路（低比屈折率差領域）、１６…第２のスラブ導波路（低比屈折率差領域）、ΔＩ…入力導波路側比屈折率差（低比屈折率差領域）、ΔＯ…出力導波路側比屈折率差（低比屈折率差領域）、ΔＡ…アレイ導波路比屈折率差（高比屈折率差領域）、ＳＭＦ…シングルモードファイバ。
【図１】
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