(57)【要約】【課題】従来よりも非常に小型の波長多重光カプラを提供すること。【解決手段】光受信機Ｒに接続される第１光導波路１２と、光送信機Ｓに接続される第２光導波路１４と、光送信機から送信される第１波長の上り光信号Ｌｓと、受信機で受信される第１波長とは異なる第２波長の下り光信号Ｌｒの双方を伝播する第３光導波路１６と、第１〜第３光導波路が互いに接続される接続部としてのグレーティング１８とを、同一基板２０上に備え、第１〜第３光導波路は、光の伝播方向に直交する断面形状が矩形状であって、矩形の長辺及び短辺の長さの少なくとも一方を０．５μｍ以下とするＳｉを材料とするコアと、コアの周囲を覆うＳｉＯ２を材料とするクラッドからなり、グレーティングは下り光信号を透過し、かつ上り光信号を第３光導波路へと回折する。【選択図】図１
2009080449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光受信機に接続される第１光導波路と、
光送信機に接続される第２光導波路と、
前記光送信機から送信される第１波長の上り光信号と、前記光受信機で受信される、第１波長とは異なる第２波長の下り光信号の双方を伝播させる第３光導波路と、
前記第１〜第３光導波路が互いに接続される接続部としてのグレーティングとを、同一基板に備え、
前記第１〜第３光導波路は、光の伝播方向に直交する面内における断面形状が矩形状のコアであって、該矩形の長辺及び短辺の長さの少なくとも一方を０．５μｍ以下とする、Ｓｉを材料とする当該コアと、該コアの周囲を覆う、ＳｉＯ２を材料とするクラッドとからなり、
前記グレーティングは前記下り光信号を透過し、かつ前記上り光信号を前記第３光導波路へと回折することを特徴とする波長多重光カプラ。
【請求項２】
前記グレーティングから前記波長多重光カプラ外へと、前記上り光信号の前記グレーティングで回折されずに透過した光成分を伝播させる第４光導波路を備えることを特徴とする請求項１に記載の波長多重光カプラ。
【請求項３】
前記光受信機及び前記光送信機が、前記基板に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長多重光カプラ。
【請求項４】
前記グレーティングは、格子溝が形成された平面型導波路であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長多重光カプラ。
【請求項５】
前記グレーティングに、前記上り光信号を平行光線とするレンズが設けられていることを特徴とする請求項４に記載の波長多重カプラ。
【請求項６】
前記グレーティングが、前記上り光信号を平行光線とするように同心円状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の波長多重カプラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光信号の合波及び分岐を行う波長多重光カプラに関する。
【背景技術】
【０００２】
光加入者系システムにおいては、加入者から局への光伝送（上り伝送）、及び局から加入者への光伝送（下り伝送）を一本の光ファイバで行う必要がある。そのため、上り伝送と下り伝送とでは異なる波長の光が使用される。従って、これらの異なる波長の光を合分波する合分波素子が必要となる。
【０００３】
加入者側に用いられる波長多重光カプラは、ＯＮＵ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｕｎｉｔ）と呼ばれる。現在用いられている多くのＯＮＵは、空間光学的に光軸を合わせた、波長フィルタ、フォトダイオード（以下、ＰＤとも称する。）及びレーザダイオード（以下、ＬＤとも称する。）から構成されている。また、光導波路を用いることで光軸合わせを不要にしたＯＮＵも知られている（例えば、特許文献１参照。）
【特許文献１】特開平８−１６３０２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、これら従来のＯＮＵはサイズが大きいという問題点があった。この発明はこのような問題点に鑑みなされたものである。従って、この発明の目的は、従来よりも著しく小型化された波長多重光カプラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した目的の達成を図るために、この発明は以下のような技術的特徴を備えている。
【０００６】
この発明の波長多重光カプラは、光受信機に接続される第１光導波路と、光送信機に接続される第２光導波路と、光送信機から送信される第１波長の上り光信号と、光受信機で受信される、第１波長とは異なる第２波長の下り光信号の双方が伝播する第３光導波路と、第１〜第３光導波路が互いに接続される接続部としてのグレーティングとを、同一基板に備えている。
【０００７】
このような構成において、第１〜第３光導波路の接続部としてのグレーティングは、第１波長の上り光信号を所定の回折角で回折し、かつ、第２波長の下り光信号を回折せずに透過するように設計されている。その結果、光送信機から送信される第１波長の上り光信号は、グレーティングにより回折されて第３光導波路へと結合され、波長多重光カプラ外の局へと伝播される。それに対し、波長多重光カプラ外の局から光受信機へと送信される第２波長の下り光信号は、グレーティングでは回折されずに第３光導波路から第２光導波路へと伝播して光受信機により受信される。
【０００８】
そして、第１〜第３光導波路は、光の伝播方向に直交する面内における断面形状が矩形状のコアであって、矩形の長辺及び短辺の長さの少なくとも一方を０．５μｍ以下とする、Ｓｉを材料とする当該コアと、コアの周囲を覆う、ＳｉＯ２を材料とするクラッドとからなる。
【０００９】
ここで、グレーティングは下り光信号を透過させ、かつ上り光信号を第３光導波路へと回折する。
【００１０】
この波長多重光カプラの好適実施例において、グレーティングから波長多重光カプラ外へと、上り光信号のグレーティングで回折されずに透過した光成分を伝播させる第４光導波路を備えるのが良い。
【００１１】
また、この波長多重光カプラを実施するにあたり、光受信機及び光送信機を、基板上に設けることが好ましい。
【００１２】
さらに、この波長多重光カプラの好適実施例によれば、グレーティングを、格子溝が形成された平面型導波路とするのが良い。
【００１３】
また、この波長多重光カプラの好適実施例によれば、グレーティングに、上り光信号を平行光線とするレンズを設けるのが良い。
【００１４】
また、この波長多重光カプラの好適実施例によれば、グレーティングを、上り光信号を平行光線とするように同心円状に形成するのが良い。
【発明の効果】
【００１５】
この発明は、上述したような技術的特徴を備えている。これにより、この発明は、従来よりも著しく小型化された波長多重光カプラを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示したものにすぎない。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施の形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、この実施の形態の波長多重光カプラの概略的な構成を示す図であって、基板の表面層を省略して、光導波路の構造を露出させて示した平面図である。図２は、光導波路の構造の説明に供する、図１のＡ−Ａ線に沿った断面を示す模式図である。図３は、グレーティングの断面構造を模式的に示す断面図である。図４（Ａ）は、ＴＥ偏波光に対するグレーティングの回折強度の波長依存性を示す図である。図４（Ｂ）は、ＴＭ偏波光に対するグレーティングの回折強度の波長依存性を示す図である。図５は、波長多重光カプラの製造方法の主要工程段階を抜き出して、模式的に示す断面図である。
【００１８】
図１に示す波長多重光カプラの構成例によれば、波長多重光カプラ１０は、光受信機Ｒに接続される第１光導波路１２と、光送信機Ｓに接続される第２光導波路１４と、光送信機Ｓから送信される第１波長の上り光信号Ｌｓと、光受信機Ｒで受信される第１波長とは異なる第２波長の下り光信号Ｌｒの双方を伝播させる第３光導波路１６と、第１〜第３光導波路１２，１４及び１６が互いに接続すなわち光結合される接続部Ｃとしてのグレーティング１８とを、平行平板状の同一基板２０に備えている。なお、これら第１〜第３光導波路１２，１４及び１６のそれぞれのコアの横断面形状は、実質的に同一とするのが好適であり、さらに、これら光導波路を設ける基板表面からの深さは同一の深さとする。また、この実施の形態の波長多重光カプラ１０においては、光送信機Ｓ、光受信機Ｒ及び第４光導波路２２も上述の基板２０に所要の導波路と光結合できるような位置に設けられている。
【００１９】
この実施の形態の例では、光送信機Ｓから送信される上り光信号Ｌｓの第１波長は、好ましくは、例えば約１．３μｍとする。また、光受信機Ｒで受信される下り光信号Ｌｒの第２波長は、好ましくは、例えば１．４９〜１．５５μｍとする。
【００２０】
図１及び２を参照すると、基板２０は、矩形板状であり、単結晶シリコン２０ａとＳｉＯ２膜２０ｂとがこの順序で積層された構造を有している。そして、ＳｉＯ２膜２０ｂ中に、後述する第１〜第４光導波路１２，１４，１６及び２２のコアと、グレーティング１８とが埋め込まれている。
【００２１】
この実施の形態では、第１〜第４光導波路１２，１４，１６及び２２は、コアとクラッドとからなり、コアは、光の伝播方向に直交する断面形状、すなわちコアの横断面形状が矩形状であって、矩形の長辺及び短辺の長さの少なくとも一方を０．５μｍ以下とするＳｉの材料で形成してあり、さらにクラッドは、コアの周囲を覆うＳｉＯ２の材料で形成してある。なお、短辺は、当然ながら０．５μｍ以下にすることが可能であり、或いは、短辺を０．５μｍより大きな、設計に応じた任意好適な長さとすることもできる。図２では、全ての光導波路の代表として第３光導波路１６の横断面を示していて、クラッド２０ｂとコア２０ｃとを有している。このように、第１〜第４光導波路１２，１４，１６及び２２は、クラッドとしてのＳｉＯ２膜２０ｂ中に、コアとして長尺なＳｉ製の四角柱が第１主面２０ｄに対して平行に埋め込まれた構造を有している。この実施の形態においては、第１〜第４光導波路１２，１４，１６及び２２のコアの断面の長辺及び短辺は互いに等しく、好ましくは、例えば約０．５μｍとする。
【００２２】
第１〜第４導波路１２，１４，１６及び２２において、コアとしてのＳｉの屈折率は３．４であり、クラッドとしてのＳｉＯ２膜２０ｂの屈折率（１．４６）よりも大きい。また、第１〜第４光導波路１２，１４，１６及び２２は、単一モード導波路として形成されている。
【００２３】
以下の説明において、特に断らない限り、第１〜第４光導波路１２，１４，１６及び２２とは、第１〜第４光導波路１２，１４，１６及び２２のコアのことを示すものとする。
【００２４】
第１光導波路１２は、グレーティング１８を挟んで、後述する第３光導波路１６の光伝播方向の延長線上に設けられている。第１光導波路１２は、グレーティング１８と光受信機Ｒとの間を接続すなわち光結合している。第１光導波路１２は、グレーティング１８を透過した、局からの下り光信号Ｌｒを光受信機Ｒに向けて伝播する機能を有する。
【００２５】
第２光導波路１４は、グレーティング１８を挟んで、後述する第４光導波路２２の光伝播方向の延長線上に設けられている。第２光導波路１４は、グレーティング１８と光送信機Ｓとの間を接続すなわち光結合している。
【００２６】
図１に示すように、波長多重光カプラ１０を平面的に見た場合、第２光導波路１４は、第３光導波路１６と１０°以上の角度Θをなして交わるように配置されている。つまり、両光導波路１４と１６とが交わる角度Θは１０°以上である。第２光導波路１４と第３光導波路１６とをこの角度で配置することにより、第２光導波路１４を伝播する上り光信号Ｌｓの、第１光導波路１２への漏れ込みを防止することができる。第２光導波路１４は、光送信機Ｓから出力される、局への上り光信号Ｌｓをグレーティング１８に向けて伝播する機能を有する。
【００２７】
第３光導波路１６は、入出力端１６ａが波長多重光カプラ１０と局との間を結ぶ不図示の光ファイバに接続すなわち光結合されている。第３光導波路１６の入出力端１６ａには、光ファイバの光界分布を第３光導波路１６の光界分布に近づけるために従来周知のスポットサイズ変換器２４が接続されている。ここで、光界分布とは、光導波路における光ビームの強度分布のことを示す。第３光導波路１６は、スポットサイズ変換器２４とグレーティング１８との間を接続している。また、第３光導波路１６の光伝播方向の延長線上には、グレーティング１８を挟んで、第１光導波路１２が設けられている。第３光導波路１６は、局から送信されて光受信機Ｒで受信される第２波長の下り光信号Ｌｒ、及び光送信機Ｓから出力され、局へと送信される第１波長の上り光信号Ｌｓを伝播させる機能を有する。
【００２８】
第４光導波路２２は、グレーティング１８を挟んで、第２光導波路１４の光伝播方向の延長線上に設けられている。第４光導波路２２のコアの、光伝播方向に垂直な横断面形状及び寸法は、第１〜第３光導波路１２，１４及び１６と等しく構成されている。この実施の形態では、第４光導波路２２のコアは、グレーティング１８とは反対側の部分が僅かに湾曲しており、当該コアのグレーティング１８側とは反対側の端面が、好ましくは光導波路２２の光軸が当該側面に直交するようにして基板２０の側面に露出している。第４光導波路２２は、光送信機Ｓから出力された上り光信号Ｌｓの中で、グレーティング１８を透過した光成分を伝播させる。つまり、第４光導波路２２は、グレーティング１８で回折されなかった上り光信号Ｌｓ（０次回折光）を波長多重光カプラ１０の外部に捨てる機能を有する。
【００２９】
グレーティング１８は、矩形状のスラブ型導波路に形成された反射型の回折格子である。グレーティング１８は、第１〜第４光導波路１２，１４，１６及び２２と同様に、シリコンを材料として形成されており、クラッドとしてのＳｉＯ２膜２０ｂ中に埋め込まれている。また、グレーティング１８の厚み（基板２０の主面に垂直に測った長さ）は、第１〜第４光導波路１２，１４，１６及び２２の厚みと等しく形成されている。ここで、グレーティング１８の長手方向の長さは、好ましくは、例えば約１０μｍとする。また、グレーティング１８の短手方向の長さは、好ましくは、例えば約５μｍとする。
【００３０】
グレーティング１８は、図３に示すように、シリコンの下地２０ａの上面に、格子溝１８ａが、所定の周期Ｄで形成されている。なお、図３においては、ＳｉＯ２膜２０ｂの図示を省略している。
【００３１】
なお、この格子溝１８ａの周期Ｄは、上り光信号の波長である第１波長の光を選択的に回折し、かつ、下り光信号の波長である第２波長の光を回折しないで透過するように設計されている。この実施の形態の例においては、グレーティング１８の格子溝１８ａの高さＨは、好ましくは、例えば約０．１μｍとする。また、格子溝１８ａの周期Ｄは、好ましくは、例えば約０．１１１μｍとする。
【００３２】
上述のように構成されたグレーティング１８は、光送信機Ｓから出力される第１波長の上り光信号Ｌｓを第３光導波路１６に向けて回折するとともに、第３光導波路１６を伝播する第２波長の下り光信号Ｌｒを、光受信機Ｒに接続された第１光導波路１２に向けて透過する機能を有する。
【００３３】
ここで、このグレーティング１８の光学的な特徴について図４（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、詳細に説明する。
【００３４】
図４（Ａ）は、ＴＥ偏波光に対する、上述のグレーティング１８の回折強度の波長依存性を示す図であり、縦軸に、回折強度（任意単位）をとって示し、及び横軸にグレーティング１８に入射する光の波長（μｍ）をとって示している。図４（Ｂ）は、ＴＭ偏波光に対する、上述のグレーティング１８の回折強度の波長依存性を示す図であり、縦軸に、回折強度（任意単位）をとって示し、及び横軸にグレーティング１８に入射する光の波長（μｍ）をとって示している。
【００３５】
なお、図４（Ａ）及び（Ｂ）は、共にＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）法による、同一条件下でのシミュレーションにより得られたものである。
【００３６】
図４（Ａ）及び（Ｂ）によれば、グレーティング１８の回折効率は、大きな偏波依存性を示すことがわかる。つまり、この構成のグレーティング１８は、ＴＥ偏波光のみを回折し、ＴＭ偏波光をほとんど回折しないことが分かる。すなわち、ＴＥ偏波光の場合には、波長１．１μｍを中心とする付近の波長、及び波長１．３〜１．３５μｍの波長の各領域では、回折強度が０．５以上であるが、ＴＭ偏波光の場合には、測定対象とした全ての波長で、回折強度が０．０５以下となっている。
【００３７】
また、図４（Ａ）から、グレーティング１８は、第１波長（約１．３μｍ）の光（上り光信号Ｌｓ）を回折し、かつ、第２波長（約１．４９〜１．５５μｍ）の光（下り光信号Ｌｒ）を回折することなく透過することも分かる。
【００３８】
光受信機Ｒは、好ましくは、例えばフォトダイオードであり、基板２０に作り込まれている。光受信機Ｒを基板２０に作り込む方法としては、従来周知の技術を用いることができ、例えば、文献“Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ｖｏｌ．１８，ｎｏ．１９，ｐ．１９８１，２００６”に記載されているような方法で、Ｇｅ（ゲルマニウム）で構成された光受信機Ｒを基板２０に作り込むことが好ましい。この場合、光受信機Ｒの受光部は、鉛直上向き、つまり基板２０の第１主面２０ｄと平行に延在することとなる。このような受光部に第１光導波路１２の光を入射させるために、例えば、第１光導波路１２の光が出射される端部にグレーティングを設け、このグレーティングにより下り光信号Ｌｒを受光部に向けて回折してもよい。また、第１光導波路１２の光が出射される端部の厚みをテーパ状に変化させることで、下り光信号Ｌｒを受光部に向けて屈折させてもよい。
【００３９】
光送信機Ｓは、好ましくは、例えばレーザダイオードであり、基板２０に作り込まれている。光送信機Ｓを基板２０に作り込む方法としては、従来周知の技術を用いることができ、例えば、文献“Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  ｖｏｌ．１５，ｎｏ．１８，ｐ１１２２５，２００７”に記載されているような方法で、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料からなるレーザダイオードを第２光導波路１４上に接合することが好ましい。
【００４０】
次に、この波長多重光カプラ１０の具体的な寸法を例示する。
【００４１】
例えば、クラッドであるＳｉＯ２膜２０ｂの厚みは、好ましくは、例えば約２．５μｍとする。また、第１〜第４光導波路１２，１４，１６及び２２は、ＳｉＯ２膜２０ｂの表面から測って、好ましくは、例えば約１μｍの深さに埋め込まれている。つまり、第１〜第４光導波路１２，１４，１６及び２２と単結晶シリコン２０ａとの間には、約１μｍの厚みのＳｉＯ２膜２０ｂが介在している。
【００４２】
次に、この波長多重光カプラ１０の製造方法について、図５を参照して、簡単に説明する。
【００４３】
波長多重光カプラ１０は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて製造される。より詳細には、図５（Ａ）に示すようなＳＯＩ基板３０を準備する。このＳＯＩ基板３０は、下層シリコン膜３０ａ、ＳｉＯ２膜３０ｂ及び上層シリコン膜３０ｃがこの順序で積層されたものである。
【００４４】
次に、図５（Ｂ）に示すように、従来周知のフォトリソグラフィー技術により、第１〜第４光導波路１２，１４，１６及び２２の形成予定領域と、グレーティング１８の形成予定領域を保護した上で、ＳＯＩ基板３０の酸化を行う。これにより、保護されていない上層シリコン膜３０ｃの部分が酸化されてＳｉＯ２領域３０ｅとなる。その結果、上層シリコン膜３０ｃのうち、酸化されないで残存した領域が非酸化シリコン膜の上層シリコン膜領域３０ｄとなる。同様に、表面に格子溝１８ａが形成されていないグレーティング１８の前駆体が形成される。この前駆体は、既に説明したシリコンの下地に相当する。
【００４５】
次に、図示はしないが、従来周知のフォトリソグラフィー技術及びＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）技術により、上述した高さＨ及び周期Ｄでストライプ状の格子を形成することによって、グレーティング１８の前駆体に格子溝１８ａを形成して、グレーティング１８を完成する。より詳細には、グレーティング１８の前駆体の表面に格子溝１８ａを形成するためのフォトレジストパターンを形成する。そして、ＣＶＤ法により単結晶シリコンをストライプ状に堆積する。その上で、フォトレジストパターンを除去して、前駆体の表面に形成されたストライプ状の格子間に格子溝１８ａが形成されたグレーティング１８を完成する。
【００４６】
次に、図５（Ｃ）に示すように、完成した第１〜第４光導波路１２，１４，１６及び２２とグレーティング１８を埋め込むように、ＳＯＩ基板３０の表面にＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜３０ｆを成膜する。よって、ＳｉＯ２膜３０ｂ、３０ｅ及び３０ｆがクラッド２０ｂとなり、かつ上層シリコン膜領域３０ｄがコア２０ｃとなり、第１〜第４光導波路１２，１４，１６及び２２が形成される。
【００４７】
図示はしないが、最後に、光受信機Ｒ及び光送信機ＳをＳＯＩ基板３０に形成して、波長多重光カプラ１０を完成する。
【００４８】
次に、波長多重光カプラ１０の動作について説明する。
【００４９】
局から送信された下り光信号Ｌｒは、スポットサイズ変換器２４を経て第３光導波路１６へと導かれる。そして、第３光導波路１６を伝播して、グレーティング１８に至る。ところで、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示したように、第２波長（約１．５５μｍ）の下り光信号Ｌｒをグレーティング１８は回折しない。従って、下り光信号Ｌｒは、グレーティング１８を透過して、第１光導波路１２を伝播し、光受信機Ｒで受信される。
【００５０】
波長多重光カプラ１０から局へと送信される上り光信号Ｌｓは、光送信機Ｓから第２光導波路１４へと出力され、第２光導波路１４をグレーティング１８に向けて伝播する。
【００５１】
ところで、光送信機Ｓとしてレーザダイオードを用いている場合に、出力される光（上り光信号Ｌｓ）はＴＥ偏波光であることが知られている。また、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、グレーティング１８は、ＴＥ偏光を選択的に回折する。
【００５２】
従って、第２光導波路１４を伝播するＴＥ偏光としての上り光信号Ｌｓは、グレーティング１８で９０％以上の回折効率で回折されて第３光導波路１６へと導かれる。なお、グレーティング１８で回折されなかった上り光信号Ｌｓは、第４光導波路２２を伝播して、波長多重光カプラ１０の外部へと捨てられる。
【００５３】
この実施の形態の波長多重光カプラ１０は、グレーティング１８の寸法を５μｍ×１０μｍと、非常に小型にすることができる。その結果、波長多重光カプラ１０を従来技術に比較して小型化することができる。
【００５４】
（実施の形態２）
実施の形態２の波長多重光カプラは、グレーティングを、レンズ作用を有するものとした以外は、実施の形態１の波長多重光カプラ１０と同様である。従って、以下の説明においては、主に実施の形態１との相違点を説明する。
【００５５】
図６は、実施の形態２に用いられるグレーティング２６の概略的な構造を示す平面図である。なお、この実施の形態の波長多重光カプラにおいて、図６に示したグレーティング２６以外の部品は、図１と同様に構成されている。また、図６においては、グレーティング２６の上面を覆っているＳｉＯ２膜の図示を省略している。
【００５６】
図６を参照すると、グレーティング２６は、回折格子部分２７と、レンズ２８ａ及び２８ｂと、平面導波路部分２９ａ及び２９ｂを備えている。回折格子部分２７は、実施の形態１のグレーティング１８と同様の回折格子であって、シリコンの下地の上面に、格子溝２７ａが、所定の周期Ｄで形成されている。なお、この格子溝２７ａ（図３において、回折格子部分２７の無ハッチング領域）の周期Ｄは、上り光信号の波長である第１波長の光を選択的に回折し、かつ、下り光信号の波長である第２波長の光を回折しないで透過するように設計されている。なお、格子溝２７ａの寸法（深さ、光伝播方向に沿った長さ）及び周期は、実施の形態１の格子溝１８ａと同様とする。
【００５７】
後述するレンズ２８ａ及び２８ｂの存在により、グレーティング２６の寸法は、実施の形態１のグレーティング１８よりも若干大きくなる。具体的には、長手方向（光伝播方向に沿った長さ）は、好ましくは、例えば約２０〜３０μｍであり、及び短手方向の長さは、好ましくは、例えば約５μｍとする。
【００５８】
レンズ２８ａ及び２８ｂは、光伝播方向に沿って、回折格子部分２７を両側から挟んで配置された、互いに同形状の部品である。レンズ２８ａ及び２８ｂは、回折格子部分２７と同様に、シリコンを材料として形成されており、クラッドとしてのＳｉＯ２膜２０ｂ中に埋め込まれている。レンズ２８ａ及び２８ｂは、回折格子部分２７と同時に形成される。
【００５９】
レンズ２８ａ及び２８ｂは、シリコン下地の上面から突出する凸部として形成されている。集光作用を持たせるために、レンズ２８ａ及び２８ｂは、格子溝２７ａの延在方向の両端部側において、厚み（光伝播方向に沿った長さ）が厚く、格子溝の延在方向の中央部付近において厚みが薄い、いわゆる凹レンズ型の平面形状を有している。
【００６０】
レンズ２８ａ及び２８ｂは、中央部（厚みが最も薄い部分）の厚みを好ましくは、例えば約０．５μｍ、及び両端部（厚みが最も厚い部分）の厚みを好ましくは、例えば、約８μｍとする。
【００６１】
また、グレーティング２６と第１〜第４光導波路１２，１４，１６及び２２との接合部１２ｃ，１４ｃ，１６ｃ及び２２ｃは、グレーティング２６に向かってテーパ状に光導波路の幅（光伝播方向に直交し、かつ下地の上面に平行な方向の長さ）が拡大する、いわゆるテーパ形光導波路とされている。接合部１２ｃ，１４ｃ，１６ｃ及び２２ｃをテーパ形光導波路とすることにより、上り光信号Ｌｓ及び下り光信号Ｌｒがグレーティング２６に入射及び出射される際の強度ロスを低減することができる。
【００６２】
次に、図６を参照して、この実施の形態の波長多重光カプラの動作について説明する。
【００６３】
第２光導波路１４を伝播する光送信機Ｓからの上り光信号Ｌｓ（第１波長：約１．３μｍ）は、接合部１４ｃからグレーティング２６へと入射する。入射された上り光信号Ｌｓは、回折により広がりながらグレーティング２６内を伝播し、レンズ２８ａに到達する。
【００６４】
レンズ２８ａに到達した上り光信号Ｌｓは、レンズ２８ａの集光作用によりコリメートされ、平行光ビームとなって、回折格子部分２７に入射する。実施の形態１で既に説明したように、回折格子部分２７は、第１波長の上り光信号Ｌｓのみを第３光導波路１６に向けて回折する。
【００６５】
回折された上り光信号Ｌｓは、レンズ２８ｂにより集光されることで、光強度のロスが最小限に抑えられて、接合部１６ｃから第３光導波路１６へと出射される。
【００６６】
なお、回折格子部分２７で回折されなかった上り光信号Ｌｓは、接合部２２ｃ→第４光導波路２２という伝播経路で、波長多重光カプラの外部へと捨てられる。
【００６７】
一方、第３光導波路１６をグレーティング２６方向へと伝播してくる下り光信号Ｌｒ（第２波長：約１．５５μｍ）は、接合部１６ｃから、グレーティング２６へと入射する。入射された下り光信号Ｌｒは、回折により広がりながらグレーティング２６内を伝播し、レンズ２８ａに到達する。
【００６８】
レンズ２８ａに到達した下り光信号Ｌｒは、レンズ２８ａの集光作用によりコリメートされる。ただし、レンズ２８ａ及び２８ｂは、上り光信号Ｌｓの波長（第１波長）に最適化されているので、第２波長の下り光信号Ｌｒは、レンズ２８ａにより完全な平行光ビームとされる訳ではない。
【００６９】
このように、ほぼ平行光ビームとなった下り光信号Ｌｒは、回折格子部分２７に入射する。実施の形態１で既に説明したように、回折格子部分２７は第２波長の下り光信号Ｌｒを回折しない。よって、回折格子部分２７に入射した下り光信号Ｌｒは、回折格子部分２７を透過して、レンズ２８ｂへと入射する。
【００７０】
レンズ２８ｂに入射した下り光信号Ｌｒは、該レンズ２８ｂにより集光されることで、光強度のロスが最小限に抑えられて、接合部１２ｃから第１光導波路１２へと出射される。
【００７１】
続いて、図７を参照して、この実施の形態の波長多重光カプラの奏する効果について説明する。
【００７２】
図７は、この実施の形態の波長多重光カプラの素子特性をシミュレーションした結果を示す図である。図７において、縦軸に、グレーティング２６への入力光の光強度に対する、出力光の光強度の比率をとって示す。横軸に入力光の波長（μｍ）をとって示す。
【００７３】
図７には２本の曲線Ｉ及びＩＩが描かれているが、曲線Ｉは、グレーティング２６で回折されて出力される光の光強度比率を示す。曲線ＩＩは、グレーティング２６を透過して出力される光の光強度比率を示す。
【００７４】
なお、シミュレーションは、入力光の波長を変化させながら、ＦＤＴＤ法（ｆｉｎｉｔｅ  ｄｉｆｆｅｒｒｅｎｃｅ  ｔｉｍｅ  ｄｏｍａｉｎ）により実施した。
【００７５】
図７によると、上り光信号Ｌｓ（第１波長：約１．３μｍ）を含む波長領域（約１．２３〜１．３２μｍ）の範囲においては、グレーティング２６への入力光は、グレーティング２６により９０％以上回折され、グレーティング２６を透過する光はほとんど０であることが分かる。
【００７６】
また、下り光信号Ｌｒ（第２波長：約１．５５μｍ）を含む波長領域（約１．４２〜１．５５μｍ）の範囲では、グレーティング２６への入力光は、約８５％程度はグレーティングを透過し、グレーティング２６により回折される光は約５％以下であることが分かる。
【００７７】
この実施の形態の波長多重光カプラは、グレーティング２６の寸法を５μｍ×２０〜３０μｍと、非常に小型にすることができる。その結果、波長多重光カプラを従来技術に比較して小型化することができる。
【００７８】
（実施の形態３）
実施の形態３の波長多重光カプラは、グレーティングの構成が異なる以外は、実施の形態２の波長多重光カプラと同様である。従って、以下の説明においては、主に実施の形態２との相違点を説明する。
【００７９】
図８は、実施の形態３に用いられるグレーティング３０の概略的な構造を示す平面図である。なお、この実施の形態の波長多重光カプラにおいて、図８に示したグレーティング３０以外の部品は、図１と同様に構成されている。また、図８においては、グレーティング３０の上面を覆っているＳｉＯ２膜の図示を省略している。
【００８０】
図８を参照すると、グレーティング３０は、回折格子部分３２と、レンズ３４と、平面導波路部分３１ａ及び３１ｂとを備えている。回折格子部分３２は、ブレーズド格子であって、シリコンの下地の上面に、格子溝３２ａが、所定の周期Ｄで形成されている。
【００８１】
後述するレンズ３４と同心円状の回折格子部分３２の存在により、グレーティング３０の寸法は、実施の形態１のグレーティング１８よりも若干大きくなる。具体的には、長手方向（光伝播方向に沿った長さ）は、好ましくは、例えば約２０〜３０μｍであり、及び短手方向の長さは、好ましくは、例えば約５μｍとする。
【００８２】
回折格子部分３２において、複数の格子溝３２ａは、第２光導波路１４からグレーティング３０へと入射する上り光信号Ｌｓを集光して、第３光導波路１６へと伝播させるために、同心円形に配列されている。
【００８３】
なお、この格子溝３２ａ（図８において、回折格子部分３２の無ハッチング領域）の周期Ｄは、上り光信号の波長である第１波長の光を選択的に回折し、かつ、下り光信号Ｌｒの波長である第２波長の光を回折しないで透過するように設計されている。なお、格子溝３２ａの寸法（深さ、光伝播方向に沿った長さ）及び周期は、実施の形態１の格子溝１８ａと同様とする。
【００８４】
レンズ３４は、グレーティング３０において、第１及び第４光導波路１２及び２２が接続された側に設けられている。レンズ３４の構成は、実施の形態２のレンズ２８ａ及び２８ｂとほぼ同様である。ただし、このレンズ３４は、下り光信号Ｌｒの第２波長（波長：約１．５５μｍ）に最適化されている。つまり、レンズ３４は、グレーティング３０内で回折により広がりながら伝播する下り光信号Ｌｒを集光して、第１光導波路１２へと伝播させる機能を有する。
【００８５】
次に、図８を参照して、この実施の形態の波長多重光カプラの動作について説明する。
【００８６】
第２光導波路１４を伝播する光送信機Ｓからの上り光信号Ｌｓ（第１波長：約１．３μｍ）は、接合部１４ｃからグレーティング３０へと入射する。入射された上り光信号Ｌｓは、回折により広がりながらグレーティング３０内を伝播し、回折格子部分３２により回折されるとともに集光され、第３光導波路１６に向けて伝播する。
【００８７】
そして、光強度のロスが最小限に抑えられて、接合部１６ｃから第３光導波路１６へと出射される。
【００８８】
なお、回折格子部分３２で回折されなかった上り光信号Ｌｓは、接合部２２ｃ→第４光導波路２２という伝播経路で、波長多重光カプラの外部へと捨てられる。
【００８９】
一方、第３光導波路１６をグレーティング３０方向へと伝播してくる下り光信号Ｌｒ（第２波長：約１．５５μｍ）は、接合部１６ｃから、グレーティング３０へと入射する。入射された下り光信号Ｌｒは、回折により広がりながらグレーティング３０内を伝播し、レンズ３４に到達する。
【００９０】
レンズ３４に到達した下り光信号Ｌｒは、レンズ３４の集光作用により光強度のロスが最小限に抑えられて、接合部１２ｃから第１光導波路１２へと出射される。
【００９１】
続いて、図９を参照して、この実施の形態の波長多重光カプラの奏する効果について説明する。
【００９２】
図９は、この実施の形態の波長多重光カプラの素子特性をシミュレーションした結果を示す図である。図９において、縦軸に、グレーティング３０への入力光の光強度に対する、出力光の光強度の比率をとって示す。横軸に入力光の波長（μｍ）をとって示す。
【００９３】
図９には２本の曲線Ｉ及びＩＩが描かれているが、曲線Ｉは、グレーティング３０で回折されて出力される光の光強度比率を示す。曲線ＩＩは、グレーティング３０を透過して出力される光の光強度比率を示す。
【００９４】
なお、シミュレーションは、入力光の波長を変化させながら、ＦＤＴＤ法（ｆｉｎｉｔｅ  ｄｉｆｆｅｒｒｅｎｃｅ  ｔｉｍｅ  ｄｏｍａｉｎ）により実施した。
【００９５】
図９によると、上り光信号Ｌｓ（第１波長：約１．３μｍ）を含む波長領域（約１．２５〜１．３７μｍ）の範囲においては、グレーティング２６への入力光は、グレーティング３０により８０％以上回折され、グレーティング３０を透過する光は２０％未満であることが分かる。
【００９６】
また、下り光信号Ｌｒ（第２波長：約１．５５μｍ）付近の波長領域（約１．４４〜１．５０μｍ）の範囲では、グレーティング２６への入力光は、約７０％以上はグレーティングを透過し、グレーティング２６により回折される光は約２０％未満であることが分かる。
【００９７】
この実施の形態の波長多重光カプラは、グレーティング３０の寸法を５μｍ×２０〜３０μｍと、非常に小型にすることができる。その結果、波長多重光カプラを従来技術に比較して小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】この実施の形態の波長多重光カプラの概略的な構成を示す平面図である。
【図２】光導波路の構造の説明に供する、図１のＡ−Ａ線に沿った断面を示す模式図である。
【図３】グレーティングの断面構造を模式的に示す断面図である。
【図４】（Ａ）は、ＴＥ偏波光に対するグレーティングの回折強度の波長依存性を示す図、（Ｂ）は、ＴＭ偏波光に対するグレーティングの回折強度の波長依存性を示す図である。
【図５】波長多重光カプラの製造方法の主要工程段階を抜き出して、模式的に示す断面図である。
【図６】実施の形態２に用いられるグレーティングの概略的な構造を示す平面図である。
【図７】実施の形態２の波長多重光カプラの素子特性をシミュレーションした結果を示す図である。
【図８】実施の形態３に用いられるグレーティングの概略的な構造を示す平面図である。
【図９】実施の形態３の波長多重光カプラの素子特性をシミュレーションした結果を示す図である。
【符号の説明】
【００９９】
１０  波長多重光カプラ
１２  第１光導波路
１２ｃ，１４ｃ，１６ｃ，２２ｃ  接合部
１４  第２光導波路
１６  第３光導波路
１６ａ  入出力端
１８，２６，３０  グレーティング
１８ａ，２７ａ，３２ａ  格子溝
２０  基板
２０ａ  単結晶シリコン
２０ｂ  ＳｉＯ２膜（クラッド）
２０ｃ  コア
２０ｄ  第１主面
２２  第４光導波路
２４  スポットサイズ変換器
２７，３２  回折格子部分
２８ａ，２８ｂ，３４  レンズ
２９ａ，２９ｂ，３１ａ，３１ｂ  平面導波路部分
【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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