(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上の石英系ガラス導波路で構成され、コアの内部応力がクラッドの内部応力よりも大きい材料からなる石英系ガラス導波路がシリコン基板上に構成されている光干渉計において、
前記光干渉計が光分岐部、複数の長さの異なる光導波路、および光結合部から構成されており、
前記複数の長さの異なる光導波路の長手方向に平均したコア幅を、短い光導波路で広く、長い光導波路で狭くすることにより、前記光導波路を構成する材料の内部応力に起因する応力誘起複屈折を制御すること、および前記複数の長さの異なる光導波路の複屈折を長手方向に積分した値が、複数の光導波路間で等しいことを特徴とする導波路型光干渉計。
【請求項２】
前記導波路型光干渉計が、第１のスラブ導波路、第２のスラブ導波路、それらを結ぶ互いに長さの異なる複数のアレイ導波路、前記第１のスラブ導波路に接続された１本あるいは複数本の入力導波路、前記第２のスラブ導波路に接続された１本あるいは複数本の出力導波路からなるアレイ導波路格子型光波長合分波器であり、
前記アレイ光導波路の長手方向に平均したコア幅が、短い光導波路で広く、長い光導波路で狭く、その結果として、
前記複数のアレイ導波路の複屈折を長手方向に積分した値が、複数のアレイ導波路間で等しいことを特徴とする請求項１に記載の導波路型光干渉計。
【請求項３】
前記複数のアレイ導波路の個々の導波路に関して、前記第１および第２のスラブ導波路との接続部を除き長手方向に一定の幅であることを特徴とする請求項２に記載の導波路型光干渉計。
【請求項４】
前記複数のアレイ導波路の個々の導波路に関して、前記第１および第２のスラブ導波路との接続部を除き２種類もしくは複数種類のコア幅で構成されており、その２種類もしくは複数種類の導波路長の比が複数のアレイ導波路間で互いに異なることを特徴とする請求項２に記載の導波路型光干渉計。
【請求項５】
前記２種類もしくは複数種類のコア幅の導波路が、幅が連続的に変化するテーパで接続されていることを特徴とする請求項４に記載の導波路型光干渉計。
【請求項６】
前記異なるコア幅の導波路を接続するテーパが、幅の異なる導波路を複数本接続して構成されていることを特徴とする請求項４に記載の導波路型光干渉計。
【請求項７】
前記互いに長さの異なる複数のアレイ導波路中央部近傍が直線導波路になっていることを特徴とする請求項２または４に記載の導波路型光干渉計。
【請求項８】
前記導波路型光干渉計の光導波路を構成するコア膜の内部応力が、上部クラッド膜の内部応力に比べて２倍以上大きいことを特徴とする請求項２に記載の導波路型光干渉計。
【請求項９】
前記導波路型光干渉計が、２つの光カプラとそれらを結ぶ互いに長さの異なる２本の導波路からなるマッハツェンダ光干渉計であり、
前記２本の光導波路のコア幅が、少なくとも一部において互いに異なり、
相対的に短い導波路の平均コア幅が長い導波路の平均コア幅に比べて広いことを特徴とする請求項１に記載の導波路型光干渉計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
この発明は、平面光導波路で構成された導波路型光干渉計に関し、更に詳しくは、その導波路複屈折が導波路コア幅に依存することを利用して、光干渉計の偏波依存性を補償したり、もしくは逆に偏波依存性を強調する技術に関する。
【０００２】
背景技術
現在、通信容量の拡大のために複数の光波長を用いた光波長多重通信システム（ＷＤＭシステム）の開発が盛んである。この光波長多重通信システムにおいて、送信側で複数の波長の光信号を合波したり、受信側で１本の光ファイバ中の複数の光信号を異なるポートに分波する光波長合分波器として、アレイ導波路格子型光波長合分波器（以下、ＡＷＧと略す）が広く使用されている。
【０００３】
従来のＡＷＧの回路構成をＦＩＧ．１８に示す。入力導波路１に入射された光は、第１のスラブ導波路２で基板３と水平方向に回折し、複数のアレイ導波路４に結合する。隣接するアレイ導波路４はそれぞれ一定の光路長差を有しているため、第２のスラブ導波路５に結合する際に、複数の光ビームは波長に依存する位相差を持つ。この結果として、複数の光ビームの干渉で生じる焦点は波長に依存して位置が変化する。その焦点位置に予め複数の出力導波路６を配置しておくことにより、ＡＷＧは複数光波長を一括して合分波する光波長合分波器として機能する。
【０００４】
これまで報告されたＡＷＧでは、複数のアレイ導波路４のコア幅は互いに等しく設計されていた。ＡＷＧはガラス、ポリマー、半導体など様々な材料の導波路を用いて作製され、その結果が報告されている。（M. K. Smit, "New focusing and dispersive planar component based on an optical phased array," Electronics Letters, vol. 24, no. 7, pp. 385-386, Mar. 1988.      Y. Hida他, "Polymeric arrayed-waveguide grating multiplexer operating around 1.3 mm," Electronics Letters, vol. 30, pp. 959-960, 1994.    M. Zirngibl他, "Polarization compensated waveguide grating router on InP," Electronics Letters, vol. 31, no. 19, pp. 1662-1664, 1995.  参照）。
【０００５】
一般に、平面基板上に作製した光導波路は、基板に垂直な方向に電界成分を持つＴＭ光と、基板に平行な方向に電界成分を持つＴＥ光との間で実効屈折率が異なる。これら実効屈折率の差分を導波路複屈折と呼び、以下の式（１）で定義する。
【０００６】
【数１】
0003784720.tif 000002
【０００１】
ここで、Ｂは導波路複屈折を、ｎＴＭ、ｎＴＥはそれぞれＴＭ光とＴＥ光の実効屈折率を表す。導波路複屈折の発生原因としては、応力誘起複屈折や構造複屈折などがある。
【０００７】
ＴＭ光とＴＥ光のＡＷＧ中心波長は以下の式（２）および（３）で表される。
【０００８】
【数２】
0003784720.tif 000003
【０００９】
【数３】
0003784720.tif 000004
【００１０】
ここで、λＴＭおよびλＴＥはＴＭ光とＴＥ光のＡＷＧ中心波長、ΔＬは隣接するアレイ導波路の長さの差、ｍは回折次数（整数）である。
【００１１】
上記の式（１）〜（３）からわかるように、導波路複屈折Ｂが存在する場合、ＡＷＧの中心波長λＴＭ、λＴＥはＴＭ光とＴＥ光とで異なる値になる。本来、石英系ガラス光導波路は伝搬損失の偏波依存性はほどんどない。しかしながら、上述の通り中心波長がＴＭ光とＴＥ光とで異なるため、入射光の偏光状態で特性が変化するという偏波依存性の問題を持っている。
【００１２】
（従来技術の第１例）
この偏波依存性を解消する一つの方法として、ＦＩＧ．１９に示すように、ＡＷＧの中央部でアレイ導波路４中に主軸が４５°傾いた１／２波長板７を溝８を介して挿入する方法が使われている。（Y. Inoue他 "Polarization sensitivity elimination in silica-based wavelength-division multiplexer using polyimide half waveplate," IEEE J. Lightwave Technol., vol. 15, no. 10, pp. 1947-1957, Oct. 1997参照）。
【００１３】
この１／２波長板７はＴＭ光とＴＥ光の偏波モード変換器として機能しており、ＡＷＧの回路中央部でＴＭ光とＴＥ光を入れ替えることにより、全体としてその特性を平均化し、偏波依存性を解消している。
【００１４】
（従来技術の第２例）
ＡＷＧの上記偏波依存性を解消する別の方法として、石英系ガラスにドーパントを多量に入れて、シリコン基板と同等の熱膨張係数を持たせることにより、ＡＷＧの作製時に生じる熱応力を低減し、結果的に偏波依存性を解消する報告もなされている。（S. Suzuki他, "Polarization-insensitive arrayed-waveguide gratings using dopant-rich silica-based glass with thermal expansion adjusted to Si substrate," IEE Electron. Lett., vol. 33, no. 13, pp. 1173-1174, Jun. 1997.参照）。
【００１５】
具体的には、石英系ガラス層にシリコン基板からかかる応力を-1MPa以上1MPa以下に調整することにより、導波路複屈折の絶対値を2×10-5以下に抑制している。ここで、負符号は圧縮応力、正符号は引っ張り応力を表す。
【００１６】
この従来技術の第２例の方法は、上記の従来技術の第１例の方法に比べて、１／２波長板７の挿入に伴う付加的な作業がなく、且つ過剰損失も生じないため、有望な方法である。しかし、ガラスの圧縮応力が非常に弱いため、ＡＷＧ作製時の作業工程において石英系ガラス層に容易にクラックが発生したり、石英系ガラス層のドーパント量が多いために、長期的な耐候性が低く、導波路の結晶化が生じて導波路の光の挿入損失が増加するという問題があった。この信頼性の低さは、通信用光部品として致命的な問題であり、その解決が強く求められていた。
【００１７】
このように、従来技術で紹介した２つの偏波無依存化方法は、それぞれ解決すべき課題を持っていた。すなわち、１／２波長板を用いた第１例の従来方法は、１／２波長板の挿入に伴う付加的な作業および光の過剰損失が発生するという課題があり、また石英系ガラスのドーパントを増やしてガラスの熱応力をなくす第２例の従来方法は、その信頼性に課題があった。
【００１８】
本発明の目的は、これらの課題を解決し、低コストで信頼性の高い偏波無依存の導波路型光干渉計を提供することにある。
【００１９】
発明の開示
我々は導波路複屈折がコア幅に依存して変化することを今回発見した。本発明は、この現象を利用して付加的な作業や部材を用いずにＡＷＧの偏波依存性を解消する。より詳しくは、アレイ導波路の実効的なコア幅を一本一本変化させることにより、ＡＷＧの偏波依存性を解消する。
【００２１】
上記目的を達成するため、本発明の導波路型光干渉計は、シリコン基板上の石英系ガラス導波路で構成され、コアの内部応力がクラッドの内部応力よりも大きい材料からなる石英系ガラス導波路がシリコン基板上に構成されている光干渉計において、前記光干渉計が光分岐部、複数の長さの異なる光導波路、および光結合部から構成されており、前記複数の長さの異なる光導波路の長手方向に平均したコア幅を、短い光導波路で広く、長い光導波路で狭くすることにより、前記光導波路を構成する材料の内部応力に起因する応力誘起複屈折を制御すること、および前記複数の長さの異なる光導波路の複屈折を長手方向に積分した値が、複数の光導波路間で等しいことを特徴とする。
【００２５】
また、前記導波路型光干渉計が、第１のスラブ導波路、第２のスラブ導波路、それらを結ぶ互いに長さの異なる複数のアレイ導波路、前記第１のスラブ導波路に接続された１本あるいは複数本の入力導波路、前記第２のスラブ導波路に接続された１本あるいは複数本の出力導波路からなるアレイ導波路格子型光波長合分波器であり、前記アレイ光導波路の長手方向に平均したコア幅が、短い光導波路で広く、長い光導波路で狭く、その結果として、前記複数のアレイ導波路の複屈折を長手方向に積分した値が、複数のアレイ導波路間で等しいことを特徴とすることができる。
【００２６】
また、前記複数のアレイ導波路の個々の導波路に関して、前記第１および第２のスラブ導波路との接続部を除き長手方向に一定の幅であることを特徴とすることができる。
【００２７】
また、前記複数のアレイ導波路の個々の導波路に関して、前記第１および第２のスラブ導波路との接続部を除き２種類もしくは複数種類のコア幅で構成されており、その２種類もしくは複数種類の導波路長の比が複数のアレイ導波路間で互いに異なることを特徴とすることができる。
【００２８】
また、前記２種類もしくは複数種類のコア幅の導波路が、幅が連続的に変化するテーパで接続されていることを特徴とすることができる。
【００２９】
また、前記異なるコア幅の導波路を接続するテーパが、幅の異なる導波路を複数本接続して構成されていることを特徴とすることができる。
【００３０】
また、前記互いに長さの異なる複数のアレイ導波路中央部近傍が直線導波路になっていることを特徴とすることができる。
【００３１】
また、前記導波路型光干渉計が、２つの光カプラとそれらを結ぶ互いに長さの異なる２本の導波路からなるマッハツェンダ光干渉計であり、前記２本の光導波路のコア幅が、少なくとも一部において互いに異なり、相対的に短い導波路の平均コア幅が長い導波路の平均コア幅に比べて広いことを特徴とすることができる。
【００３３】
また、前記導波路型光干渉計が、シリコン基板上の石英系ガラス光導波路で構成されていることを特徴とすることができる。
【００３４】
また、前記導波路型光干渉計の光導波路を構成するコア膜の内部応力が、上部クラッド膜の内部応力に比べて２倍以上大きいことを特徴とすることができる。
【００３５】
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００３６】
（第１の実施の形態）
ＦＩＧ．１に本発明の第１の実施形態における偏波無依存ＡＷＧ（アレイ導波路格子型光波長合分波器）の回路構成を示す。このＡＷＧには１００本のアレイ導波路１０４が配置されており、スラブ導波路１０２および１０５との接続部のテーパ（図示せず）を除き、そのアレイ導波路１０４のコア幅が１本１本異なる。その他の構成は上述した従来例の、ＦＩＧ．１８のＡＷＧと同様である。ここで、１０１は入力導波路、１０２は入力側のスラブ導波路、１０３はシリコン基板、１０５は出力側のスラブ導波路、１０６は出力導波路である。
【００３７】
ＦＩＧ．２にＦＩＧ．１のアレイ導波路部分のコア幅がわかるように強調した上面図を示す。ＦＩＧ．２に示すように、そのアレイ導波路１０４のコア幅が内側（短いアレイ導波路側）から外側（長いアレイ導波路側）に向けて徐々に細くなるよう設計している。ここで、２０２は最も内側のコア幅８．２ミクロンのアレイ導波路、２０１は最も外側のコア幅５．８ミクロンのアレイ導波路を示す。
【００３８】
次に、本発明のきかっかけとなった導波路複屈折Ｂとコア幅ｗとの関係をＦＩＧ．３に示す。ＦＩＧ．３から導波路コア幅ｗが広いほど導波路複屈折Ｂが大きくなっていることがわかる。この導波路複屈折のコア幅依存性は、構造複屈折のコア幅依存性とは正反対の依存性となっている。すなわち、構造複屈折はコア幅が広くなると小さくなる。このことから、本実施形態における導波路複屈折は応力誘起複屈折であることがわかる。
【００３９】
応力誘起複屈折はコアガラス、クラッドガラス、基板の材質や熱膨張係数に強く依存する。本実施形態では、コアガラス膜の内部応力がクラッドガラス膜の内部応力に比べて２倍以上大きな材料を使用している。
【００４０】
ＦＩＧ．３の導波路複屈折のコア幅依存性を以下に説明する。直感的な理解としては、コア幅がコア膜厚に比べて充分に狭い領域（極端な例として、コア幅が０）では、導波路複屈折はクラッドガラス膜の内部応力によって律即される。これに対して、コア幅がコア膜厚に比べて充分に広い領域（極端な例として、コア幅が無限大の場合）では、導波路複屈折はコアガラス膜の内部応力によって律即される。本実施形態では、コアガラス膜の内部応力がクラッドガラス膜の内部応力に比べて大きいため、コア幅が広くなると導波路複屈折も大きくなるという依存性が生じる。
【００４１】
本発明は、今回発見したＦＩＧ．３の導波路複屈折のコア幅依存性を利用することによって、導波路複屈折そのものを０にしないで、ＴＭ光の中心波長λＴＭとＴＥ光の中心波長λＴＥを一致させる方法に関するものである。
【００４２】
本実施形態の導波路作製方法を、ＦＩＧ．４Ａ−４Ｅを用いて簡単に説明する。シリコン基板１０３上に火炎堆積法でＳｉＯ2を主体にした下部クラッドガラススート４０１、ＳｉＯ2にＧｅＯ2を添加したコアガラススート４０２を堆積する（ＦＩＧ．４Ａ）。
【００４３】
その後、１０００℃以上の高温でガラス透明化を行う。この時に、下部クラッドガラス層４０３は３０ミクロン厚、コアガラス４０４は７ミクロン厚となるように、ガラスの堆積を行っている（ＦＩＧ．４Ｂ）。
【００４４】
引き続き、フォトリソグラフィ技術を用いてコアガラス４０４上にエッチングマスク４０５を形成し（ＦＩＧ．４Ｃ）、反応性イオンエッチングによってコアガラス４０４のパターン化を行う（ＦＩＧ．４Ｄ）。
【００４５】
エッチングマスク４０５を除去した後、上部クラッドガラス４０６を再度火炎堆積法で形成する。上部クラッドガラス４０６にはＢ2Ｏ3やＰ2Ｏ5などのドーパントを添加してガラス転移温度を下げ、それぞれのコアガラス４０４とコアガラス４０４の狭い隙間にも上部クラッドガラス４０６が入り込むようにしている（ＦＩＧ．４Ｅ）。
【００４６】
従来技術に述べたようにクラッドガラスに大量のドーパントを添加すると、シリコン基板からガラス層にかかる圧縮応力が緩和され、導波路複屈折が減少する。しかし、それと共にガラスの耐候性が劣化する。このため、本実施形態では、信頼性が十分に確保できる条件として、クラッドガラス４０６に添加するドーパント量を抑制し、シリコン基板１０３からガラス層へ−１０ＭＰa以下の応力（１０ＭＰa以上の圧縮応力）を発生させている。
【００４７】
次に、アレイ導波路の設計について述べる。ＡＷＧでは、隣接するアレイ導波路の光路長差が一定になるように設計を行う。この場合、ＴＭモードとＴＥモードの中心波長λＴＭ,λＴＥは以下の式（４），（５）で表される。
【００４８】
【数４】
0003784720.tif 000005
【００４９】
【数５】
0003784720.tif 000006
【００５０】
ここでＬｋ,Ｌk+1はｋ番目およびｋ＋１番目のアレイ導波路の長さを示す。よって、偏波による中心波長のズレがなくなる条件は、（４）式と（５）式の右辺が等しくなればよい。すなわち、以下の（６）式が満たされれば、偏波による中心波長のズレがなくなり、ＡＷＧの偏波依存性は解消される。
【００５１】
【数６】
0003784720.tif 000007
【００５２】
ただしＢは（１）式で与えられる導波路複屈折である。（６）式は、長手方向に積分した複屈折が異なるアレイ導波路間で一定の値になれば偏波依存性は解消されることを意味している。
【００５３】
本実施形態では各アレイ導波路のコア幅は長手方向に一定で設計しているため、（６）式は以下の（７）式のように簡単に書き表される。
【００５４】
【数７】
0003784720.tif 000008
【００５５】
ただし、Ｂｋはｋ番目のアレイ導波路の複屈折である。
【００５６】
（７）式は、短いアレイ導波路の複屈折は大きく、長いアレイ導波路の複屈折は小さくすれば、ＡＷＧの偏波依存性がなくなることを意味している。ＦＩＧ．３の結果を用いて、（７）式を満たすように、１００ＧＨｚ間隔１６チャンネルのＡＷＧを設計したところ、ＦＩＧ．２に示すように、一番長いアレイ導波路２０１のコア幅は５．８ミクロンに、一番短いアレイ導波路２０２のコア幅は８．２ミクロンになった。
【００５７】
ＡＷＧでは、一般に隣接するアレイ導波路の光路長差を一定にする必要がある。全てのアレイ導波路を１種類のコア幅で設計していた従来設計では、実効屈折率が全てのアレイ導波路で等しいため、隣接するアレイ導波路の物理的な長さの差は一定であった。しかし、本設計では一本一本のアレイ導波路コア幅が異なるため、それに応じて実効屈折率も異なる。この結果として、隣接するアレイ導波路間の物理的な長さの差は一定になるとは限らない。より詳しくは、実効屈折率とコア幅が比例する場合は、隣接するアレイ導波路間の物理的な長さの差は一定になるが、実効屈折率とコア幅が比例しない場合は、隣接するアレイ導波路間の物理的な長さの差は一定にならない。本実施形態では、実効屈折率とコア幅が比例していないため隣接するアレイ導波路間の物理的な長さの差は一定になっていない。
【００５８】
上記の設計を用いて作製したＡＷＧの透過スペクトルをＦＩＧ．５に示す。λTMとλTEのズレは０．００７ｎｍ以下（測定限界以下）であった。また、これと比較のため、単一のコア幅（７．０ミクロン）を用いて作製した従来型のＡＷＧの透過スペクトルをＦＩＧ．６に示す。λTMとλTEのズレは０．１２ｎｍであった。ＦＩＧ．５とＦＩＧ．６の比較により、コア幅を（７）式を満足するように設計することにより、ＡＷＧの偏波依存性が解消できることがわかる。
【００５９】
本発明は、アレイ導波路のそれぞれの長さに応じてそのコア幅を変化させることで、有限の導波路複屈折を制御することにより、導波路複屈折そのものを０にしなくても、導波路型光干渉計の偏波依存性を解消できることに特徴がある。導波路の複屈折の制御方法としては、応力付与膜を用いる方法（M. Kawachi他, "Laser trimming adjustment of waveguide birefringence in silica integrated-optic ring resonators," Proc. CLEO'89, pp. 84-85, 1989.参照）や、異種薄膜をコア直下に装荷する方法（H. H. Yaffe他, "Polarization-independent silica-on-silicon Mach-Zehnder interferometers," Journal of Lightwave Technology, vol. 12, pp. 64-67, 1994.参照）が知られている。しかし、本発明は、このような付加的なプロセスを必要とせず、マスク設計パラメータであるコア幅を変えるだけで、その導波路複屈折を制御し、ＡＷＧの偏波依存性を解消できる点に最大の特長がある。
【００６０】
(第２の実施の形態)
ＦＩＧ．７に本発明の第２の実施形態の偏波無依存ＡＷＧを示す。ここで、７０１は入力導波路、７０２は入力側のスラブ導波路、７０３はシリコン基板、７０４はアレイ導波路、７０５は出力側のスラブ導波路、７０６は出力導波路である。本実施形態のＡＷＧの概観は、ＦＩＧ．１の第１の実施形態のＡＷＧと全く同じである。しかし、第１の実施形態では、アレイ導波路のコア幅が１本ずつ異なっていたのに対して、第２の実施形態では２種類のコア幅のアレイ導波路を用い、両者の長さの比を変化させることにより、等価的に導波路複屈折をアレイ導波路間で変化させている点が特徴である。また、２種類のコア幅の導波路間での接続損失を抑制するため、両者の間に連続的に幅が変化するテーパを挿入している。このテーパを挿入することにより、異なるコア幅の導波路間での接続過剰損失が０．５ｄＢから０．１ｄＢ以下へと大幅に低減できる。
【００６１】
アレイ導波路７０４のコア幅がわかるように強調した上面図をＦＩＧ．８に示す。本実施形態では、コア幅ｗ1=５．５ミクロンの導波路８０１と、コア幅ｗ2=８．５ミクロンの導波路８０２を用いて設計を行った。
【００６２】
第２の実施形態では、上記（７）式の代わりに次式（８）を用いる。
【００６３】
【数８】
0003784720.tif 000009
【００６４】
ここでＬｋ(ｗ1), Ｌｋ(ｗ2)はｋ番目のアレイ導波路におけるコア幅５．５ミクロンの長さおよびコア幅８．５ミクロンの長さ、Ｂ(ｗ1),Ｂ(ｗ2)はコア幅５．５ミクロンの複屈折およびコア幅８．５ミクロンの複屈折をそれぞれ表す。
【００６５】
更に、隣接するアレイ導波路間での５．５ミクロン幅導波路８０１の長さの差をΔＬ(ｗ1)、および８．５ミクロン幅導波路８０２の長さの差をΔＬ(ｗ2)とすると、隣接するアレイ導波路間での光路差は次のようになる。
【００６６】
ｍλ＝ｎ(ｗ１)ΔＬ（ｗ１）＋ｎ(ｗ２)ΔＬ（ｗ２）
【００６７】
これと、（８）式とから、ΔＬ（ｗ１）、ΔＬ（ｗ２）はそれぞれ次式（９）、（１０）で与えられる。
【００６８】
【数９】
0003784720.tif 000010
【００６９】
【数１０】
0003784720.tif 000011
【００７０】
今回作製した１００ＧＨｚ間隔１×１６チャンネルのＡＷＧでは、ΔＬ(ｗ1)=１４９ミクロン、ΔＬ(ｗ2)=−８６ミクロンと設計した。
【００７１】
第１の実施形態では、隣接するアレイ導波路の物理的な長さの差は一定ではなかったが、本実施形態では（９）式（１０）式からわかるように隣接するアレイ導波路の物理的な長さの差は一定になる。
【００７２】
第２の実施形態のＡＷＧは実質的には第１の実施形態のＡＷＧと等価であり、その透過スペクトルもほぼ等しい。実際に作製した第２の実施形態のＡＷＧの透過スペクトルをＦＩＧ．９に示す。従来設計のＡＷＧの透過スペクトルのＦＩＧ．６と比較して、その偏波依存性が解消されていることがわかる。
【００７３】
第１の実施形態に比べて、第２の実形態では、アレイ導波路の中途でコア幅の異なる導波路を接続しているため、この部分で生じたと思われる約０．１ｄＢの過剰損失分だけ挿入損失が大きくなった。この過剰損失は全体の挿入損失から見れば十分に小さな値であり、実効上問題にはならない。
【００７４】
第２の実施形態のＡＷＧは、２種類のコア幅で設計ができ、ΔＬ（ｗ１）およびΔＬ（ｗ２）が定数であるため、設計が容易である点が第１の実施形態よりも優れている。
【００７５】
本第２の実施形態では、２種類のコア幅を用いてアレイ導波路の設計を行ったが、３種類もしくはそれ以上のコア幅を用いてアレイ導波路の設計をすることも可能であることを付記しておく。
【００７６】
（第３の実施の形態）
ＦＩＧ．１０に本発明の第３の実施形態の偏波無依存ＡＷＧを示す。第３の実施形態の偏波無依存ＡＷＧは、ほとんど第２の実施形態の偏波無依存ＡＷＧと同じである。その相違点は、２種類の幅の異なる導波路を接続するテーパが、なめらかな曲線で設計される代わりに、複数の異なる幅の導波路を接続して設計されている点である。ＦＩＧ．１１にテーパ部の拡大図を示す。
【００７７】
理論的には第２の実施形態で用いたなめらかな曲線からなるテーパの方が損失は低くなるが、曲線導波路部でテーパを形成しようとすると設計が複雑になるという問題があった。そこで実行上過剰損失が生じない方法として、本実施形態では８．５ミクロン幅の導波路と５．５ミクロン幅の導波路を、０．３ミクロン刻みで徐々に幅を変化させた導波路を接続してテーパを形成している。
【００７８】
実際にデバイスを作製したところ、損失、透過スぺクトル共に第２の実施形態と同等のものが得られた。
【００７９】
（第４の実施の形態）
ＦＩＧ．１２に本発明の第４の実施形態の偏波無依存ＡＷＧを示す。第４の実施形態の偏波無依存ＡＷＧの原理は、第３の実施形態の偏波無依存ＡＷＧと同じである。
【００８０】
その相違点は、第３の実施形態の偏波無依存ＡＷＧでは、幅の広い導波路（本実施形態では８．５ミクロン幅の導波路）をアレイ導波路のスラブ側に配置し、幅の狭い導波路（本実施形態では５．５ミクロン幅の導波路）をアレイ導波路の中央部に配置しているが、本実施形態では、反対に、幅の広い導波路をアレイ導波路の中央部に、幅の狭い導波路をアレイ導波路のスラブ側に配置している。
【００８１】
本実施形態のように配置することにより、アレイ導波路間での光結合を抑制することができ、結果的に歩留まりが向上する。
【００８２】
（第５の実施の形態）
ＦＩＧ．１３に本発明の第５の実施形態の偏波無依存ＡＷＧを示す。本発明の偏波無依存ＡＷＧは（７）式もしくは（８）式を満足する必要がある。例えぱ、５．５ミクロン幅と８．５ミクロン幅の２種類の導波路を使用する場合、各々の複屈折の比から最も短いアレイ導波路の長さ：Ｌ１と、最も長いアレイ導波路の長さ：ＬＮの比は（１１）式で与えられる。
【００８３】
Ｌ１：ＬＮ＝Ｂ（ｗ１）：Ｂ（ｗ２）            （１１）
【００８４】
しかし、チャンネル波長間隔が狭くなりチャンネル数が増加すると、Ｌ１とＬＮの比を（１１）式で与えられる値よりも大きくとる必要が生じる。逆に言えば、（１１）式で与えられるＬ１とＬＮの比がＡＷＧの設計自由度を制限することになる。
【００８５】
この課題を解消する方法として、本実施形態ではアレイ導波路中央部に直線部を設けることにより（１１）式の制限を緩和した。すなわち、直線部の長さをＬＳとすると、Ｌ１：Ｌ２は（１１）式を満足したまま直線部以外の長さの比  Ｌ１−ＬＳ：ＬＮ−ＬＳはＬＳを任意に与えることにより自由に設計できることになる。
【００８６】
具体的には、アレイ導波路中央部に直線導波路を設けない場合は５０ＧＨｚ間隔４０チャンネルまでが設計の限界であったが、アレイ導波路中央部に直線導波路を設けることにより１０ＧＨｚ間隔６４ｃｈのように大規模な回路の設計が可能になった。
【００８７】
（第６の実施の形態）
ＦＩＧ．１４に本発明の第６の実施形態としてチャンネル間隔１００ＧＨｚ(ＦＳＲ２００ＧＨｚ)の非対称マッハツェンダ光干渉計の構成を示す。本実施形態は、第１の実施形態の偏波無依存化の原理を非対称マッハツェンダ光干渉計に適用したものである。
【００８８】
ここで、１４０１はコア幅７ミクロンの入力導波路、１４０２は入力側の５０％方向性結合器（光カプラ）、１４０３はコア幅７ミクロンのアーム導波路、１４０４はコア幅６ミクロンのアーム導波路、１４０５はコア幅８ミクロンのアーム導波路、１４０６は出力側の５０％方向性結合器、１４０７はコア幅７ミクロンの出力導波路である。異なるコア幅の導波路間は幅が徐々に変化するテーパを挿入している。
【００８９】
ＦＩＧ．１４に示すように、２本のコア幅７ミクロンのアーム導波路１４０３の一部を、それぞれ長さの異なるコア幅６ミクロンのアーム導波路１４０４、コア幅８ミクロンのアーム導波路１４０５に、それぞれ置き換えて接続したような、コア幅を異ならせた構成となっている。このように、本実施形態の非対称マッハツェンダ光干渉計は、２本のアーム導波路の幅をｗ1=６ミクロン、ｗ2=８ミクロン、ｗ0=７ミクロンのコア幅を用いて構成している。
【００９０】
コア幅ｗ1,ｗ2の長さＬ(ｗ1),Ｌ(ｗ２)は次式（１２）、（１３）で与えられる。
【００９１】
【数１１】
0003784720.tif 000012
【００９２】
【数１２】
0003784720.tif 000013
【００９３】
ここでcは光速を表す。また、コア幅ｗ0の長さＬ(ｗ0)は２本のアーム導波路に同じ長さだけ挿入しているため、干渉計に影響を及ぼさない。コア幅ｗ0の導波路１４０３は光回路の設計自由度を高める目的で挿入している。
【００９４】
本実施形態では、Ｌ(ｗ1)=２．９６ｍｍ,Ｌ(ｗ２)=１．９２ｍｍとして設計を行った。
【００９５】
ＦＩＧ．１５に上記の設計に基づいて作製した非対称マッハツェンダ光干渉計の透過スペクトルを示す。これと比較のために、ＦＩＧ．１６にコア幅７ミクロンの導波路のみを用いて作製した従来型の非対称マッハツェンダ光干渉計の透過スペクトルを示す。ＦＩＧ．１５とＦＩＧ．１６から明らかなように、本実施形態の非対称マッハツェンダ光干渉計においては偏波依存性が解消されていることがわかる。
【００９６】
（参考例）
ＦＩＧ．１７に本発明の参考例としての偏波ビームスプリッタの構成を示す。ここで、１７０１はコア幅７ミクロンの入力導波路、１７０２は入力側の５０％方向性結合器、１７０３はコア幅５ミクロンのアーム導波路、１７０４はコア幅１０ミクロンのアーム導波路、１７０５は出力側の５０％方向性結合器、１７０６はコア幅７ミクロンの出力導波路である。
【００９７】
上述した本発明の第１〜第６の実施形態は、ＡＷＧ、非対称マッハツェンダ光干渉計の偏波依存性を解消したものであったが、本参考例は反対にマッハツェンダ光干渉計の偏波依存性を増強し、偏波によって出力ポートが変わる偏波ビームスプリッタを実現したものである。
【００９８】
偏波ビームスプリッタを実現するためには、例えばＴＭ光にとっての光路長差がλ／２、ＴＥ光にとっての光路長差が０になるように設計する必要がある。本参考例では、コア幅ｗ1=５ミクロンの導波路１７０３とコア幅ｗ２=１０ミクロンの導波路１７０４を用いた。上記の条件は以下の式（１４），（１５）で表される。
【００９９】
【数１３】
0003784720.tif 000014
【０１００】
【数１４】
0003784720.tif 000015
【０１０１】
ここで、λは光波長を表す。(１４)、（１５）式を変形することにより、Ｌ(ｗ1),Ｌ(ｗ2)を求める以下の式（１６）、（１７）が得られる。
【０１０２】
【数１５】
0003784720.tif 000016
【０１０３】
【数１６】
0003784720.tif 000017
【０１０４】
（１６）（１７）式により、それぞれのアーム導波路１７０３、１７０４の長さＬ(ｗ1),Ｌ(ｗ2)はそれぞれ６．５３ｍｍ,６．５２ｍｍに設計すればよいことがわかる。実際にこの条件で作製を行ったところ、通信光波長１．５５ミクロンの入力光に対して、ＴＭ光はスルーポートに出力され、ＴＥ光はクロスポートに出力される偏波ビームスプリッタ機能が確認された。クロスポートにおけるＴＥ光に対するＴＭ光のレベル（偏波ビームスプリッタのクロストーク）は−１９ｄＢであった。
【０１０５】
（その他の実施の形態）
以上述べた本発明の各実施形態では、シリコン基板上の石英系ガラス導波路を用いた光干渉計を示したが、その導波路材料がポリイミド、シリコーン、半導体、ＬｉＮｂＯ3などであっても本発明の上記の原理は適用可能である。また、基板もシリコンに限定するものではない。
【０１０９】
本発明の本質は複屈折が導波路コア幅が広いほど増加しており、そのことを利用して偏波無為存を実現したことにある。
【０１１０】
以上説明したように、本発明によれば、導波路幅を変えるだけで偏波無依存動作を実現したり、逆に偏波ビームスプリッタを実現したりすることができる効果が得られる。
【０１１２】
また、本発明によれば、従来技術の第２例で紹介した圧縮応力のないガラスを用いる必要がなくなり、圧縮応力のあるガラスを用いて光回路を構成できるため、耐候性をはじめとする光部品の信頼性が飛躍的に向上する効果も得られる。
【０１１３】
産業上の利用可能性
以上のように、本発明にかかる導波路型光干渉計は、光波長多重通信システムにおいて、送信側で複数の波長の光信号を合波したり、受信側で１本の光ファイバ中の複数の光信号を異なるポートに分波する光波長合分波器として用いるのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態の偏波無依存ＡＷＧ（アレイ導波路格子型光波長合分波器）の構成を示す斜視図である。
【図２】  ＦＩＧ．１の偏波無依存ＡＷＧのアレイ導波路部のコア幅がわかるように強調した上面図である。
【図３】  導波路複屈折率のコア幅依存性を導波路複屈折率と導波路コア幅との関係で示すグラフである。
【図４】  ＦＩＧ．４Ａ−４Ｅは本発明の第１の実施形態の偏波無依存ＡＷＧの作製工程を示す工程図である。
【図５】  本発明の第１の実施形態の偏波無依存ＡＷＧの透過スペクトル特性を透過率と波長との関係で示すグラフである。
【図６】  ＦＩＧ．５の本発明の第１の実施形態との比較例として、単一のコア幅（７．０ミクロン）で設計したＡＷＧの透過スペクトル特性を透過率と波長との関係で示すグラフである。
【図７】  本発明の第２の実施形態の偏波無依存ＡＷＧの構成を示す斜視図である。
【図８】  ＦＩＧ．７の偏波無依存ＡＷＧのアレイ導波路部のコア幅がわかるように強調した上面図である。
【図９】  本発明の第２の実施形態の偏波無依存ＡＷＧの透過スペクトル特性を透過率と波長との関係で示すグラフである。
【図１０】  本発明の第３の実施形態の偏波無依存ＡＷＧのアレイ導波路部のコア幅がわかるように強調した上面図である。
【図１１】  本発明の第３の実施形態の偏波無依存ＡＷＧのアレイ導波路テーパ部の拡大図である。
【図１２】  本発明の第４の実施形態の偏波無依存ＡＷＧのアレイ導波路部のコア幅がわかるように強調した上面図である。
【図１３】  本発明の第５の実施形態の偏波無依存ＡＷＧのアレイ導波路部のコア幅がわかるように強調した上面図である。
【図１４】  本発明の第６の実施形態の偏波無依存非対称マッハツェンダ光干渉計の構成を示す模式図である。
【図１５】  本発明の第６の実施形態の偏波無依存非対称マッハツェンダ光干渉計の透過スペクトル特性を光挿入損失と光周波数との関係で示すグラフである。
【図１６】  ＦＩＧ．１５の本発明の第６の実施形態との比較例として、従来の非対称マッハツェンダ光干渉計（単一コア幅７ミクロン）の透過スペクトル特性を光挿入損失と光周波数との関係で示すグラフである。
【図１７】  本発明の参考例の偏波ビームスプリッタの構成を示す模式図である。
【図１８】  従来のＡＷＧの構成例を示す斜視図である。
【図１９】  従来のＡＷＧの他の構成例を示す斜視図である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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