(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一本以上の入力導波路を接続した第１のスラブ導波路と少なくとも一本以上の出力導波路を接続した第の２スラブ導波路をアレイ導波路の両端に持つ光導波路回路において、スラブ導波路部分のクラッド層の膜厚を前記アレイ導波路部分のクラッド層の膜厚より薄くし、スラブ導波路の等価屈折率の偏波依存性の差を下記式（１）のように設定してなることを特徴とするアレイ導波路格子素子。
【数１】
0003960399.tif 000012
【請求項２】
少なくとも一本以上の入力導波路を接続した第１のスラブ導波路と少なくとも一本以上の出力導波路を接続した第の２スラブ導波路をアレイ導波路の両端に持つ光導波路回路において、スラブ導波路部分のコア層の膜厚を前記アレイ導波路部分のコア層の膜厚より薄くし、スラブ導波路の等価屈折率の偏波依存性の差を下記式（１）のように設定してなることを特徴とするアレイ導波路格子素子。
【数２】
0003960399.tif 000013
【請求項３】
少なくとも一本以上の入力導波路を接続した第１のスラブ導波路と少なくとも一本以上の出力導波路を接続した第の２スラブ導波路をアレイ導波路の両端に持つ光導波路回路において、スラブ導波路部分のコア層の組成波長を前記アレイ導波路部分のコア層の組成波長よりも短波長の材料で構成し、スラブ導波路の等価屈折率の偏波依存性の差を下記式（１）のように設定してなることを特徴とするアレイ導波路格子素子。
【数３】
0003960399.tif 000014
【請求項４】
請求項１〜請求項３において、スラブ導波路領域におけるクラッド層の層厚を０．４μｍ以下としたことを特徴とするアレイ導波路格子素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光交換、光情報処理等に用いられる、アレイ導波路格子素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信技術の高度化に伴い、大容量の通信を実現するために、波長多重（ＷＤＭ）化された信号を用いることが重要となってきている。こうした中、多重化された光の中から、必要とする波長を任意に抽出したり（バンドパスフィルター）、必要な波長の信号のみ分離したり、また逆に必要な波長の光を追加したり（波長合分波）、波長に応じて出射経路を変更することが出来る（波長ルーター）機能を持つ素子はＷＤＭシステムの中では非常に重要な役割を果たす。アレイ導波路格子素子はフィルター特性が急峻で高い消光比を有し、規則的な周期性を持つ、また、多入力・多出力ポートの構成であるので、容易に波長合分波器や波長ルーターを構成できるなど、優れた特性を有しているため、ＷＤＭ用集積部品の基本要素として期待されている。また、これらの素子は光の波長に応じて様々な処理を行えるため、光通信への応用だけに限らず、光信号処理など様々な用途がある。
【０００３】
アレイ導波路格子素子は、優れた特性を有しているが、半導体を利用してこれらの素子を作製した場合、導波路を構成する材料や構造により生じる波長分散の影響を受けて所望の特性が得られない場合が少なくなった。そこで、従来の素子における波長分散の影響を図８および図９を用いて説明を行う。
【０００４】
まず、図８に半導体導波路の等価屈折率の波長依存性を示す。この図に示すように導波路の等価屈折率は波長とともに減少する傾向があり、導波路の偏波方向によって、その変化率は異なっていることがわかる。これらの導波路を利用してアレイ導波路格子を作製すると、その特性は図９のようになる。すなわち、半導体導波路のＴＥモードとＴＭモードの等価屈折率が一致（ｎeq(TE)＝ｎeq(TM)）している波長λｃの時には、アレイ導波路格子のＴＥモードとＴＭモードの透過特性は一致している。それに対して、波長がλｃから外れてくるにつれて、ＴＥモードとＴＭモードの等価屈折率の差が大きくなるために、透過特性は図９に示したように徐々に中心波長のずれを生じていくこととなる。これらの素子を通信などで利用しようとした場合、偏波により透過光強度が変わることは伝送する信号の劣化や誤りを生じるため、避けなければならない。そこで、ＴＥモードとＴＭモードの透過特性が重なった近傍の狭い波長領域（図中Ｗ′）で使用しなければならなくなる。このため、使用できる波長の帯域幅が減少する（Ｗ′＜Ｗ）と伴に、使用する光源の波長および、フィルタとしての波長設定もより厳密に行うことが必要となる。これらの問題を避けるためには、透過特性のピーク波長の差は、フィルタとしての帯域幅より充分小さいことが必要であり、偏波依存性の小さいごく限られたチャンネルしか、使用することができない。さらに、隣接するチャンネル間の透過特性が重なり合うことによるクロストークが出ることが問題となっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明においては、上記の従来のアレイ導波路格子素子の透過特性の偏波依存性を解消し、良好な特性のアレイ導波路格子素子を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する［請求項１］の発明は、少なくとも一本以上の入力導波路を接続した第１のスラブ導波路と少なくとも一本以上の出力導波路を接続した第の２スラブ導波路をアレイ導波路の両端に持つ光導波路回路において、スラブ導波路部分のクラッド層の膜厚を前記アレイ導波路部分のクラッド層の膜厚より薄くし、スラブ導波路の等価屈折率の偏波依存性の差を下記式（１）のように設定してなることを特徴とする。
【数４】
0003960399.tif 000002
【０００７】
［請求項２］の発明は、少なくとも一本以上の入力導波路を接続した第１のスラブ導波路と少なくとも一本以上の出力導波路を接続した第２のスラブ導波路をアレイ導波路の両端に持つ光導波路回路において、スラブ導波路部分のコア層の膜厚を前記アレイ導波路部分のコア層の膜厚より薄くし、スラブ導波路の等価屈折率の偏波依存性の差を下記式（１）のように設定してなることを特徴とする。
【数５】
0003960399.tif 000003
【０００８】
［請求項３］の発明は、少なくとも一本以上の入力導波路を接続した第１のスラブ導波路と少なくとも一本以上の出力導波路を接続した第２のスラブ導波路をアレイ導波路の両端に持つ光導波路回路において、スラブ導波路部分のコア層の組成波長を前記アレイ導波路部分のコア層の組成波長よりも短波長の材料で構成し、スラブ導波路の等価屈折率の偏波依存性の差を下記式（１）のように設定してなることを特徴とする。
【数６】
0003960399.tif 000004
【０００９】
［請求項４］の発明は、請求項１〜請求項３において、スラブ導波路領域におけるクラッド層の層厚を０．４μｍ以下としたことを特徴とする。
【００１１】
すなわち、本発明によるアレイ導波路格子では、スラブ導波路の等価屈折率の偏波依存性を利用することにより、アレイ導波路を構成する導波路が有する偏波依存性の波長分散の解消もしくは減少をはかることとした。
その具体的な設計方法について言及を行い、請求項２では、スラブ導波路のクラッドを導波路部分のクラッドと比較して薄膜化することにより、等価屈折率の偏波依存性を増大させ、より効果的に偏波依存性の波長分散を解消することのできる構造を提供する。また、請求項３又は請求項４では、スラブ導波路部分のコア層にアレイ導波路部分のコア層とは組成もしくは膜厚の異なる材料を用いることにより、等価屈折率の偏波依存性を増大させより効果的に波長分散を解消することのできる構造を提供する。
【００１２】
本発明によるアレイ導波路格子を用いることにより偏波依存性の波長分散を低減し、より広い波長範囲において光フィルタ、合分波器、ルータなどを形成することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のアレイ導波路格子素子の第１の実施の形態である。
図１に示すように、少なくとも一本以上の入力導波路１１を接続した、第１のスラブ導波路１２と少なくとも一本以上の出力導波路１３を接続した第２のスラブ導波路１４をアレイ導波路１５の両端に有するアレイ導波路回路からなっており、構造的には、従来の素子と基本的には同一構造ではあるが、アレイ導波路の偏波依存性の波長分散を解消するために、スラブ導波路のＴＥモードとＴＭモードの等価屈折率の差を下記［数３］に示す式（１）と設定している。
【００１４】
【数７】
0003960399.tif 000005
【００１５】
図１、および図１のアレイ導波路格子素子の第２のスラブ導波路部分を拡大した図２を用いて本発明の原理の説明を行う。
これらの図面に示すように、入力導波路１１から入射した光は、第１のスラブ導波路１２で回折し、アレイ導波路１５に分岐されていく、アレイ導波路１５から第２のスラブ導波路１４に出射した光は回折して、お互いに干渉して波長に応じて第２のスラブ導波路１４の端面において収束する。アレイ導波路の中心出力ポートにおいては、それぞれのアレイ導波路を透過してきた光が、それぞれ強め合う条件となるのは、全ての導波路から出力される光の位相差が２πの定数倍となったときである。
【００１６】
式であらわすと、位相差
【数８】
0003960399.tif 000006
（ΔＬはアレイ導波路の隣接する導波路の光路長差、Ｍは回折次数であり、λは中心出力ポートから出力される波長、ｎeq(TE)およびｎeq(TM)はそれぞれ波長λにおけるＴＥモードおよびＴＭモードに対する導波路の等価屈折率である。）を満たした場合である。
【００１７】
図で示すと、等位相面が出力導波路に対して円弧状になっていればよい。ここで、上記▲１▼式からｎeq(TE)とｎeq(TM)が異なっていると、出射してくる波長が異なることがわかる。
そこで、ｎeq(TE)とｎeq(TM)に許容される誤差としては、アレイ導波路格子の帯域幅およびチャンネル間隔にもよるが、１ｄＢ帯域幅をΔλとすると、Δλ(TE-TM) ＜Δλ／２程度とすることが必要である。Δλ(TE-TM) ≒Δλｎeq(TE-TM) ／ｎeq(TE)＜  Δλ／２、λ＝１．５５μｍ、ｎeq＝３．２程度、チャンネル間隔が０．４ｎｍ（５０ＧＨｚ）間隔のアレイ格子とすると、１ｄＢ帯域幅は図３に示したようにΔλ〜０．１２ｎｍ（１７ＧＨｚ）程度であるので、Δｎeq(TE-TM) ＜２．５ｅ−４程度とかなり小さい範囲に設定することが必要である。等価屈折率に許容される誤差としては、アレイ導波路のチャンネル間隔（帯域幅）に比例して変化することとなり、一般にチャンネル間隔が狭くなるほど厳しい条件となる。
【００１８】
次に中心から離れたポートの出力について考えると、導波路の伝搬定数が偏波によって微妙に異なるため、アレイ導波路から出力されるときには図２（ｂ）に示したようにＴＥモードとＴＭモードの等位相面が異なっていることがわかる。二つのモードが同一の出力端から出射するためには、スラブ導波路において、二つのモードに対して等位相面が出力導波路に対して円弧状になっていることが必要である。このため、スラブ導波路においてはＴＥモードの伝搬速度はＴＭモードに比べて遅くすることが必要である。すなわち、ＴＥモードの等価屈折率をＴＭモードに比べて大きくすることが必要である。次に式を用いて中心から離れたポートの出力波長についても同様に強め合う条件を考えてみる。
【００１９】
【数９】
0003960399.tif 000007
（ΔＬはアレイ導波路の隣接する導波路の光路長差、Ｍは回折次数、Δｌはスラブ導波路における光路長差、λ′，λ″はそれぞれＴＥモードおよびＴＭモードの出力波長であり、ｎeq(TE)，ｎeq(TM)は出力波長における導波路の等価屈折率であり、ｎs(TE)，ｎs(TM)は出力波長におけるスラブ導波路の等価屈折率をあらわしている。）
【００２０】
ここで、中心出力ポートから出力される波長と中心から離れたポートの出力波長の差Δλ(TE)＝λ−λ′は▲１▼式と▲２▼式を用いて次式であらわされる。
【００２１】
【数１０】
0003960399.tif 000008
二つの出力波長ピークが一致するようにするにはΔλ(TE)＝Δλ(TM)となればよく、
【数１１】
0003960399.tif 000009
となるように設計を行えばよい。
この等式をΔｎsに対して解き、簡単にすると、
【数１２】
0003960399.tif 000010
を満たすことが必要条件となる。
【００２２】
このような条件を満たす構造の設計方法を以下に説明を行う。
まず、導波路の等価屈折率差の波長分散（ｄΔｎeq）／（ｄλ）は導波路の組成，膜厚，導波路幅などにより変化するので、図４にコア厚および組成に対する導波路の等価屈折率差の波長分散を示す。
半導体ＬＤ等で用いられる程度のコア厚（≦０．５μｍ）においては、組成波長が大きい程波長分散値が大きくなり、逆に１〜１．５μｍ適度の厚いコア厚においては、組成波長が小さいほど波長分散値が大きくなることがわかる。
これらの波長分散の影響を打ち消すには上記「数８」に示す式に示したようにスラブ導波路の偏波による等価屈折率の差を利用すればよい。
【００２３】
図５にスラブ導波路の構造とそれに対するＴＥモードとＴＭモードの等価屈折率の差（Δｎs の関係）を示す。この図５に示したように、クラッドの層厚を薄くするほど、等価屈折率の差は大きくなることがわかる。また、導波路のコア厚としては薄く作製するほど等価屈折率の差は大きくなることがわかる。
【００２４】
次に、実際に導波路の等価屈折率の差の波長分散（ｄΔｎeq）／（ｄλ）を打ち消すのに必要となる、スラブ導波路の偏波による等価屈折率の差Δｎs を見積もる。λcを例えば１．５５μｍとすると、ｎs(TE)／Ｎc(TE)の値は導波路の構造等によりほとんど変化しない値（約０．９１〜０．９３）であるので、
【数１３】
0003960399.tif 000011
程度に設定を行うようにすればよい。
【００２５】
図４および図５を用いてこれらの条件を満たす方法についてより詳細に説明を行う。
まず、（ｄΔｎeq）／（ｄλ）の値は比較的大きな値であるので、適切な設計を行わなければ上記の条件を満足させることはできない。例えば、導波路のコア厚が１．５μｍ程度とした場合、図４より（ｄΔｎeq）／（ｄλ）は−０．００２〜−０．００２７程度であるので、必要となるΔｎs は０．００２８〜０．００３８程度となる。
【００２６】
図５に示すように、コア厚が１．５μｍの場合にはこのような条件を満たすことは比較的困難であり、クラッド層厚を０μｍ程度とした場合にかろうじて条件を満たす場合がある。一方、導波路のコア厚を０．５μｍ程度とした場合には、図４より（ｄΔｎeq）／（ｄλ）は導波路の組成波長が大きくなる程大きな分散となり、先程のコア厚が厚い場合と比較してかなり大きな値となることがわかる。１．０５μｍ組成、１．１μｍ組成、１．１５μｍ組成それぞれの場合に対して、（ｄΔｎeq）／（ｄλ）は０．００３８，０．００４６，０．００５３程度であり、必要となるΔｎs はそれぞれ０．００５４，０．００６６，０．００７４となることがわかる。図５よりこれらの条件を満たすクラッド厚は約０．３μｍ程度であることがわかる。
【００２７】
以上に一例を示したように、導波路の等価屈折率差の波長分散を解消するようにスラブ導波路の等価屈折率差を設定することができる。
また、上記の条件を満たすためには、スラブ導波路の等価屈折率差を大きくすることが必要であるので、クラッド厚を０．４μｍ以下の値とすることが、有効である。
【００２８】
さらに、本発明の第２の実施の形態を図６に示す。
図６からわかるようにスラブ導波路の等価屈折率の差を増大させるためには、スラブ導波路部分のクラッド層厚を薄く作製することが有効である。そこで、図６に示すようにアレイ導波路１５部分のクラッド層１５ａ厚と比較してスラブ導波路部１２分のクラッド層１２ａ厚を薄く作製することは効果的となる。
多くの場合、アレイ導波路部分のクラッド層厚をスラブ導波路部分に合わせて減少させることは伝搬損失などの観点から問題となることが少なくなく、スラブ導波路のクラッド層厚とアレイ導波路のクラッド層厚は独立に設計できることが望ましい。
これらの構造はドライおよびウエットエッチング等の手法によって、選択的にスラブ導波路部分のクラッドの一部を除去することによって容易に実現することができる。
【００２９】
さらに、本発明の第３の実施の形態を図７に示す。
図７に示す本発明の第３の実施の形態では、スラブ導波路１２部分のみコア１２ｂ厚を薄くしたり、導波路の組成を変化させることによっても、スラブ導波路の偏波による等価屈折率差を拡大することができるので有効である。
また、導波路のコアとして、ＭＱＷ等の偏波により屈折率の異なる材料を積層することによっても、等価屈折率の差を拡大させることができるので有効である。
【００３０】
以上、本発明では、導波路の構造によらないため、ハイメサ導波路を用いて説明を行ったが、リブ導波路、リブ埋め込み導波路、埋め込み導波路など他の導波路構造を用いても構わない。また、導波路のコアとしては、半導体バルクでもＭＱＷのように異なる組成の材料を積層した多層構造であっても構わない。
【００３１】
【発明の効果】
前述のように本発明のアレイ導波路格子素子においては、従来の半導体アレイ導波路格子素子の問題点を解決し、広い波長範囲において偏波無依存のアレイ導波路格子素子を得ることができるため、大容量ＷＤＭシステムや光信号処理などの様々なアプリケーションにおける基本素子として非常に重要な働きをさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアレイ導波路格子素子の第１の実施の形態である。
【図２】本発明の原理を説明する図である。
【図３】アレイ導波路格子の波長特性の一例を示した図である。
【図４】アレイ導波路のＴＥモードとＴＭモードの等価屈折率の差の波長分散を示した図である。
【図５】スラブ導波路のＴＥモードとＴＭモードの等価屈折率の差のコア厚、組成依存性を示した図である。
【図６】本発明のアレイ導波路格子素子の第２の実施の形態である。
【図７】本発明のアレイ導波路格子素子の第３の実施の形態である。
【図８】半導体導波路のＴＥモードおよびＴＭモードに対する等価屈折率の波長依存性を示した図である。
【図９】従来のアレイ格子素子の透過特性を示した図である。
【符号の説明】
１１  入力導波路
１２  第１のスラブ導波路
１３  出力導波路
１４  第２のスラブ導波路
１５  アレイ導波路
１２ａ，１５ａ  クラッド層
１２ｂ，１５ｂ  コア
【図１】
0003960399.tif 000015
【図２】
0003960399.tif 000016
【図３】
0003960399.tif 000017
【図４】
0003960399.tif 000018
【図５】
0003960399.tif 000019
【図６】
0003960399.tif 000020
【図７】
0003960399.tif 000021
【図８】
0003960399.tif 000022
【図９】
0003960399.tif 000023