(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に配置された入力用導波路と、出力用導波路と、各導波路の長さが所定の光路長差で順次長くなるように構成した導波路アレイと、前記入力用導波路及び導波路アレイを接続する第１の扇形スラブ導波路と、前記出力用導波路及び導波路アレイを接続する第２の扇形スラブ導波路とを有するアレイ導波路型波長合分波器において、前記第１の扇形スラブ導波路と入力用導波路との間に、この第１の扇形スラブ導波路の入力端面でフィールド分布のピーク位置が周波数に対して連続的かつ周期的に変化するフィールド分布変調素子を配置するとともに当該アレイ導波路型波長合分波器の周波数チャンネル間隔とフィールド分布変調素子の繰り返し周波数周期とを一致させ、フィールド分布変調素子は、入力用導波路、非対称分岐回路、相互に長さが異なる２本の遅延線、基本モードと高次モードの変換と合波機能を併せ持つモード変換結合素子で構成したことを特徴とするアレイ導波路型波長合分波器。
【請求項２】
基板上に配置された入力用導波路と、出力用導波路と、各導波路の長さが所定の光路長差で順次長くなるように構成した導波路アレイと、前記入力用導波路及び導波路アレイを接続する第１の扇形スラブ導波路と、前記出力用導波路及び導波路アレイを接続する第２の扇形スラブ導波路とを有するアレイ導波路型波長合分波器において、前記第１の扇形スラブ導波路と入力用導波路との間に、この第１の扇形スラブ導波路の入力端面でフィールド分布のピーク位置が周波数に対して連続的かつ周期的に変化するフィールド分布変調素子を配置するとともに当該アレイ導波路型波長合分波器の周波数チャンネル間隔とフィールド分布変調素子の繰り返し周波数周期とを一致させ、フィールド分布変調素子は、入力用導波路、基本モードと高次モードの変換と分波機能を併せ持つマルチモード干渉分波器、長さが等しい２本の遅延線および該２本の遅延線とは長さが異なる１本の遅延線、基本モードと高次モードの変換と合波機能を併せ持つモード変換結合素子からなり、入力用導波路とマルチモード干渉分波器の中心がオフセットを有していることを特徴とするアレイ導波路型波長合分波器。
【請求項３】
〔請求項１〕又は〔請求項２〕に記載するアレイ導波路型波長合分波器において、
フィールド分布変調素子の遅延線に位相調整部を付加したことを特徴とするアレイ導波路型波長合分波器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信あるいは光情報処理で用いられる導波路型光素子（光導波回路）、特に平面基板上に形成された、平坦なスペクトルを有するアレイ導波路型波長合分波器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、シリコン基板あるいは石英基板上に形成した石英系ガラス光導波路によって構成されたプレーナ光波回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎｅｒ  ＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ）の研究開発が盛んに行われている。そこでは、アレイ導波路型波長合分波器（ＡＷＧ）やマッハツェンダ干渉計のように、多光束あるいは２光束の光干渉を用いて光波長合分波器を実現している。
【０００３】
前記アレイ導波路型波長合分波器では、並列配置された互いに光路長がｎ×ΔＬずつ異なる数十〜数百本のアレイ状の導波路（導波路アレイ）を伝搬する複数の光の干渉により、波長合分波機能を実現している。ここで、ｎは導波路の実効屈折率、ΔＬは隣接した各導波路間の長さの差であり、具体的には１０〜１００μｍ程度の値である。詳しくは、Ｈ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ  ｅｔ．ａｌ．，“Ａｒｒａｙｅｄ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉ／ＤｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒｗｉｔｈＮａｎｏｍｅｔｒｅ  Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ”，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．２，ｐｐ．８７−８８，１９９０に記載されている。
【０００４】
アレイ導波路型波長合分波器は、近年のＷＤＭシステムでは必要不可欠の要素となっており、さらにＷＤＭシステムの進展に伴い、低損失で平坦なスペクトルのアレイ導波路型波長合分波器が要求されるようになってきている。アレイ導波路型波長合分波器の損失の要因としては、▲１▼光ファイバとアレイ導波路型波長合分波器との接続部の損失、▲２▼導波路の伝播損失、▲３▼アレイ導波路部分の損失、▲４▼透過特性の平坦化による過剰損失からなっている。近年の技術開発の成果により、前者の３つの損失（▲１▼乃至▲３▼）は急速に低減され、非常に低損失のアレイ導波路型波長合分波器が実現されるようになっている。このため、▲４▼の透過特性の平坦化による過剰損失が残された課題となっていた。
【０００５】
図７（ａ）は従来技術に係るアレイ導波路型波長合分波器を示す構造図、同図（ｂ）はそのＡ部分を拡大して示す拡大図である。両図中、１は入力用導波路１、２は出力用導波路、３は導波路アレイ、４は第１の扇形スラブ導波路及び５は第２の扇形スラブ導波路である。ここで、当該アレイ導波路型波長合分波器のスペクトルの平坦化は、入力用導波路１と第１の扇形スラブ導波路４との境界近傍において入力用導波路１がパラポラ形状６をなしていることで実現されている。詳しくは、Ｋ．Ｏｋａｍｏｔｏ  ｅｔ．ａｌ．，“Ｆｌａｔ  ＳｐｅｃｔｒａｌＲｅｓｐｏｎｓｅ  Ａｒｒａｙｅｄ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒｗｉｔｈ  Ｐａｒａｂｏｌｉｃ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｈｏｒｎｓ”，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．１８，ｐｐ．１６６１−１６６２，１９９６、または特願平８−１１０９５０号に記載されている。
【０００６】
図８は上記アレイ導波路型波長合分波器のスペクトル（同図では、周波数間隔１００ＧＨｚ）を示すものである。なお、ここでは比較のためにファイバと素子の接続部の損失、導波路の伝播損失、アレイ導波路部分の損失を除いた平坦化による過剰損失のみを示している。
【０００７】
前述のように、平坦化手法は、平坦化と挿入損失増加がトレードオフの関係にあり、通常２〜３ｄＢの過剰損失が生じる。従来のＡＷＧにおいてスペクトルが平坦化されるのは、パラボラ形状の入力用導波路１の出射端における光の強度分布がほぼ方形状であり、それが第１の扇形スラブ導波路４，導波路アレイ３，第２の扇形スラブ導波路５を伝搬後、出力用導波路２の入射端に同じ方形状の光強度分布を形成するためである。すなわち、出力用導波路２に入力された方形状の光は、波長により集光位置が変化していくが、入射する光の分布が方形状である為、多少波長が変化しても、出力用導波路２に結合する光の強度は変化せず、結果として平坦なスペクトルが得られる。しかしながら、入射する光の分布は出力用導波路２の基本モードと異なるため、原理的に過剰損失を有する。なお、蛇足であるが、特定の波長において入射する光の分布を出力用導波路２の基本モードと一致させた場合であっても、前述のように波長により集光位置が変化していくため、平坦な波長特性は得られない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、前述の従来のスペクトルの平坦化を行ったＡＷＧの問題点すなわち、スペクトルの平坦化により、２〜３ｄＢの過剰損失を生じるという問題点の解決をはかる。すなわち、本発明の目的は、第１に過剰損失を生じることなく、平坦なスペクトルを実現し得るアレイ導波路型波長合分波器を提供することにある。第２に、周波数特性が可変なアレイ導波路型波長合分波器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来技術に係るアレイ導波路型波長合分波器の第２の扇形スラブ導波路５（図７参照。）での集光位置が、波長に対して一定の割合で移動していくという点に着目して、これを補正もしくは増幅するように、入力用導波路１の端面でのフィールド分布ピーク位置が周波数に対して連続的かつ周期的に変化する素子（以下、フィールド分布変調素子と略する）を配置したものである。すなわち、従来技術に係るアレイ導波路型波長合分波器では、第２の扇形スラブ導波路２での集光位置が周波数に対し、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、線形的に移動するのに対して、本発明においては、図９（ｃ）、（ｄ）に示すように、特定の周波数範囲において集光位置の変動量を抑制し、このことにより平坦かつ低損失の波長特性を得るようにしたものである。具体的には次の各点を構成上の特徴とする。
【００１１】
１）  基板上に配置された入力用導波路と、出力用導波路と、各導波路の長さが所定の光路長差で順次長くなるように構成した導波路アレイと、前記入力用導波路及び導波路アレイを接続する第１の扇形スラブ導波路と、前記出力用導波路及び導波路アレイを接続する第２の扇形スラブ導波路とを有するアレイ導波路型波長合分波器において、前記第１の扇形スラブ導波路と入力用導波路との間に、この第１の扇形スラブ導波路の入力端面でフィールド分布のピーク位置が周波数に対して連続的かつ周期的に変化するフィールド分布変調素子を配置するとともに当該アレイ導波路型波長合分波器の周波数チャンネル間隔とフィールド分布変調素子の繰り返し周波数周期とを一致させ、フィールド分布変調素子は、入力用導波路、非対称分岐回路、相互に長さが異なる２本の遅延線、基本モードと高次モードの変換と合波機能を併せ持つモード変換結合素子で構成したこと。
【００１２】
２）  基板上に配置された入力用導波路と、出力用導波路と、各導波路の長さが所定の光路長差で順次長くなるように構成した導波路アレイと、前記入力用導波路及び導波路アレイを接続する第１の扇形スラブ導波路と、前記出力用導波路及び導波路アレイを接続する第２の扇形スラブ導波路とを有するアレイ導波路型波長合分波器において、前記第１の扇形スラブ導波路と入力用導波路との間に、この第１の扇形スラブ導波路の入力端面でフィールド分布のピーク位置が周波数に対して連続的かつ周期的に変化するフィールド分布変調素子を配置するとともに当該アレイ導波路型波長合分波器の周波数チャンネル間隔とフィールド分布変調素子の繰り返し周波数周期とを一致させ、フィールド分布変調素子は、入力用導波路、基本モードと高次モードの変換と分波機能を併せ持つマルチモード干渉分波器、長さが等しい２本の遅延線および該２本の遅延線とは長さが異なる１本の遅延線、基本モードと高次モードの変換と合波機能を併せ持つモード変換結合素子からなり、入力用導波路とマルチモード干渉分波器の中心がオフセットを有していること。
【００１４】
３）  上記１）又は２）に記載するアレイ導波路型波長合分波器において、
フィールド分布変調素子の遅延線に位相調整部を付加したこと。
【００１５】
【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き詳細に説明する。なお、以下の説明は入力光を複数の出力光に分岐する光分波器として説明するが、光合波器の場合には、入出力が逆になるだけで、構成自体は全く同様である。すなわち、光合波器と光分波器とは、本願発明に係るアレイ導波路型波長合分波器の使用方法の違いに過ぎない。
【００１６】
図１は本発明の実施の形態に係るアレイ導波路型波長合分波器を示す構成図である。同図中、１１は入力用導波路、１２は出力用導波路、１３は導波路アレイ、１４は第１の扇形スラブ導波路、１５は第２の扇形スラブ導波路、１６はフィールド分布変調素子である。従来技術に係るアレイ導波路型波長合分波器との相違点は、第１の扇形スラブ導波路１４の入力端に、アレイ導波路格子の第２の扇形スラブ導波路１５における集光位置の波長に対する変化を補正する為に、入力用導波路１１の端面に隣接させてフィールド分布変調素子１６を配置した点にある。
【００１７】
ここで、フィールド分布変調素子１６は、次のような構成で実現できる。
【００１８】
フィールド分布変調素子１６の第１の構成を図２に示す。同図中、２１は入力用導波路、２２は非対称分岐回路、２３は遅延線、２４は基本モードと高次モードの変換と合波機能を併せ持つモード変換結合素子である。また、２５は、必須の構成要素ではないが、出力用導波路である。２６は出力用導波路２５の基本モードのフィールド分布、２７は出力用導波路２５の高次モードのフィールド分布、２８は遅延線２３である導波路の位相調整用のヒータである。すなわち、第１のフィールド分布変調素子１６は、これら入力用導波路２１、非対称分岐回路２２、遅延線２３、モード変換結合素子２４、出力用導波路２５及びヒータ２８で構成される。なお、非対称分岐回路２２とは、光の分岐比が対称（１：１）とならない、非対称な分岐比を有する分岐回路のことであり、方向性結合器やＹ分岐回路、マルチモード干渉合分波器等で構成することができる。
【００１９】
フィールド分布変調素子１６の第２の構成を図３に示す。同図中、３１は入力用導波路、３２はマルチモード干渉合分波器、３３は遅延線、３４は基本モードと高次モードの変換と合波機能を併せ持つモード変換結合素子である。また、３５は、必須の構成要素ではないが、出力用導波路である。３６は出力用導波路３５の基本モードのフィールド分布、３７は出力用導波路３５の高次モードのフィールド分布、３８は遅延線３３である導波路の位相調整用のヒータ、３９は入力用導波路３１とマルチモード干渉分波器３２の中心軸のオフセットを示している。すなわち、第２のフィールド分布変調素子１６は、これら入力用導波路３１、非対称分岐回路３２、遅延線３３、モード変換結合素子３４、出力用導波路３５及びヒータ３８で構成される。
【００２０】
ここで、基本モードと高次モードの変換と合波機能を併せ持つモード変換結合素子２４、３４の一例としては、Ｊ．Ｌｅｕｔｈｏｌｄ，Ｊ．Ｅｃｋｎｅｒ，Ｅ．Ｇａｍｐｅｒ，Ｐ．Ａ．Ｂｅｓｓｅ，Ｈ．Ｍｅｌｃｈｉｏｒ，“Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  ｃｏｕｐｌｅｒ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ  ｏｆ  Ｚｅｒｏ  ａｎｄ  Ｆｉｒｓｔ  ｏｒｄｅｒｍｏｄｅｓ”，ｅｔ．ａｌ．Ｊ．Ｌ．Ｔ，ｖｏｌ．１６，Ｎｏ．７，１９９８，ｐｐ．１２２８−１２３９に記載されている。
【００２１】
上記遅延線２３、３３の中央部分に半波長板を挿入することは、製造上生じる偏波依存性を解消できるため、より効果的である。また、遅延線２３、３３の一部にリング共振器、エタロンフィルタ、マッハツェンダ干渉系、グレーティングなどの波長フィルタを挿入することにより、素子全体としての波長特性をより良好な形状に改善できる場合がある。
【００２２】
図４はフィールド分布変調素子１６に光を入射した場合に出力される光の形状が周波数（波長）に対して変化する様子を示したものであり、同図（ａ）は導波路内の位置に対する光強度分布を示す特性図、同図（ｂ）は縦軸に入力光波長をとって光強度分布の形状の変化を等高線表示したものである。両図に示すように、出力光は周波数に対して周期的かつ連続的に振動することが分かる。
【００２３】
なお、本発明の構成は、本発明者等の発明に係る特開平１１−１０９１４７、若しくは岡本等による特願平１０−９０５３０等におけるマッハツェンダ干渉計を組み合わせた素子の構成に比較的似ているが、従来のマッハツェンダ干渉計では、フィールド分布のピーク位置が固定した二つの位置にあり、その強度のみが連続的に変化しており、ピーク位置を連続的には変化できないため、透過特性の完全な平坦化が得られないという点で大きく異なっている。
【００２４】
次に、実際に作製したアレイ導波路型波長合分波器の特性を示す。本形態に係るアレイ導波路型波長合分波器の場合、図５に示すように、過剰損失は０．５ｄＢ程度であり、従来技術に係るアレイ導波路型波長合分波器が２〜３ｄＢ程度の過剰損失を有していたのに対して、大幅に過剰損失を低減することができた。
【００２５】
さらに、本形態に係るアレイ導波路型波長合分波器における特性が、図２及び図３に示すフィールド分布変調素子１６の位相調整部を制御、例えば一例としてヒータ２８、３８の温度を制御することにより、可変のスペクトル特性が得られることを示す。図６はヒータ２８、３８による遅延線（導波路）の温度を制御を行った場合の特性を示す特性図である。同図を参照すれば、ヒータ２８、３８による遅延線（導波路）の温度制御により、（ａ）に示すような透過帯域が細いスペクトルから、（ｂ）に示すような平坦で透過帯域が太いスペクトルに特性を変化させ得ることが分かる。このような可変のスペクトル特性は、従来のアレイ導波路格子では得られない特性である。
【００２６】
なお、上記実施の形態では、位相調整部を構成する方法の一例として、ヒータを利用する方法を示したが、導波路に位相変化を生じる他の構成方法であっても構わない。すなわち、位相調整部に対向電極を配置し、電圧の印加による電界屈折率変化を利用する方法、磁界の印加、機械的な構造により部分的に歪を加えることにより位相調整を行う方法、光やマイクロ波を部分的に照射する方法等、様々な方法が考えられる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来のアレイ導波路格子と比較して、平坦なスペクトルを低損失で実現することが可能となり、ＷＤＭ通信システム設計の損失に対する許容度を増すことができる。また、簡単な構成で、全てのポートの特性を均一にすることができる。さらに、請求項１及び２に記載したように、波長合分波器（アレイ導波路格子）のチャンネル間隔とフィールド分布変調素子の周期を一致させることにより、簡単に全てのポートの特性を均一化することができ、請求項３に記載したように、位相調整部を追加することにより、波長合分波器の透過特性を簡易な方法で変化させることができるという効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るアレイ導波路型波長合分波器を示す構成図である。
【図２】本発明のアレイ導波路型波長合分波器におけるフィールド分布変調素子の第１の具体例を示す構成図である。
【図３】本発明のアレイ導波路型波長合分波器におけるフィールド分布変調素子の第２の具体例を示す構成図である。
【図４】本発明のアレイ導波路型波長合分波器におけるフィールド分布変調素子の出力の周波数特性を示す特性図である。
【図５】図１に示す本発明のアレイ導波路型波長合分波器における透過特性を示す特性図である。
【図６】本発明のアレイ導波路型波長合分波器におけるフィールド分布変調素子のヒータによる遅延線の温度制御を行った場合の特性を示す特性図である。
【図７】従来技術に係る透過特性平坦型のアレイ導波路型波長合分波器の一例を示す構成図である。
【図８】図７に示す従来技術に係るアレイ導波路型波長合分波器の透過特性を示す特性図である。
【図９】本発明の動作原理を説明するための図で、（ａ）、（ｂ）は従来技術に係る特性図で、（ｃ）は（ａ）に対応し、且つ（ｄ）は（ｂ）に対応する本発明に係る特性図である。
【符号の説明】
１１          入力用導波路
１２          出力用導波路
１３          導波路アレイ
１４          第１の扇形スラブ導波路
１５          第２の扇形スラブ導波路
１６          フィールド分布変調素子
２１          入力用導波路
２２          非対称分岐回路
２３          遅延線
２４          モード変換結合素子
２８          ヒータ（導波路の位相調整部）
３１          入力用導波路
３２          マルチモード干渉合分波器
３３          遅延線
３４          モード変換結合素子
３８          ヒータ（導波路の位相調整部）
【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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