特許 6286457 光合分波素子及びアレイ導波路回折格子型光波長フィルタ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6286457

(24)【登録日】2018年2月9日

(45)【発行日】2018年2月28日

(54)【発明の名称】光合分波素子及びアレイ導波路回折格子型光波長フィルタ

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/12 20060101AFI20180215BHJP

   G02B 6/122 20060101ALI20180215BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/12 336

   G02B6/122 311

【請求項の数】8

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-22694(P2016-22694)

(22)【出願日】2016年2月9日

(65)【公開番号】特開2017-142329(P2017-142329A)

(43)【公開日】2017年8月17日

【審査請求日】2016年2月9日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２５年度国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「超低消費電力型光エレクトロニクス実装システム技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）

(73)【特許権者】

【識別番号】000000295

【氏名又は名称】沖電気工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】513065077

【氏名又は名称】技術研究組合光電子融合基盤技術研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100141955

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100085419

【弁理士】

【氏名又は名称】大垣 孝

(72)【発明者】

【氏名】岡山 秀彰

【審査官】 野口 晃一

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００３／００３２２８５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平１１−０３０７２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５８８９９０６（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２４８９４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１７４２２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ６／１２−６／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

スラブ導波路と導波路構造体を備え、
前記導波路構造体は、前記スラブ導波路との接続位置から、多モード干渉（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）導波路カプラ及び幅狭導波路が導波方向に沿ってこの順に接続されて形成され、
前記ＭＭＩ導波路カプラの、導波方向に沿った両側にステップ部が形成されており、
前記ステップ部の厚みが、前記ＭＭＩ導波路カプラの厚みより薄く、
前記ステップ部の前記導波方向に沿った長さが、前記ＭＭＩ導波路カプラの前記導波方向に沿った長さと等しい
ことを特徴とする光合分波素子。

【請求項2】

前記ステップ部の厚みが前記ＭＭＩ導波路カプラの厚みより薄く、しかも当該ＭＭＩ導波路カプラの厚みの半分より厚い
ことを特徴とする請求項１に記載の光合分波素子。

【請求項3】

前記ＭＭＩ導波路カプラと前記幅狭導波路との間に、ＭＭＩ幅変化部を備える
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光合分波素子。

【請求項4】

前記ＭＭＩ幅変化部は、互いにテーパ角が異なる第１ＭＭＩテーパ部及び第２ＭＭＩテーパ部が導波方向に沿ってこの順に接続されて構成されている
ことを特徴とする請求項３に記載の光合分波素子。

【請求項5】

前記導波路構造体は、前記幅狭導波路に続いて、第１テーパ導波路、幅広導波路及び第２テーパ導波路が導波方向に沿ってこの順に接続されて形成されている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光合分波素子。

【請求項6】

当該光合分波素子を構成する導波路コアがシリコンを材料として形成され、
当該光合分波素子を構成する導波路コアを取り囲むクラッド層は酸化シリコンを材料として形成されている
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光合分波素子。

【請求項7】

入力導波路、入力側スラブ導波路、入力側導波路構造体、異なる光路長を有する複数のチャネル導波路を含むアレイ導波路、出力側導波路構造体、出力側スラブ導波路及び出力導波路がこの順に接続されて構成され、
前記入力側スラブ導波路と前記入力側導波路構造体、及び、前記出力側スラブ導波路と前記出力側導波路構造体が、それぞれ請求項１〜６のいずれか一項に記載の光合分波素子である
ことを特徴とするアレイ導波路回折格子型光波長フィルタ。

【請求項8】

前記複数のチャネル導波路の各々は、
入力側曲線導波路、第１直線導波路、第１曲線導波路、第２直線導波路、第２曲線導波路、第３直線導波路及び出力側曲線導波路を備え、この順に接続されて構成される
ことを特徴とする請求項７に記載のアレイ導波路回折格子型光波長フィルタ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）通信等において波長の異なる成分光の合分波に用いることのできる、光合分波素子と、この光合分波素子を備えるアレイ導波路回折格子型光波長フィルタに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、加入者系光アクセスシステムとして、1つの局側終端装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ）と、複数の加入者側終端装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）を、光ファイバ及びスターカプラを介して接続し、１つのＯＬＴを複数のＯＮＵが共有する、受動光ネットワーク（ＰＯＮ：Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信システムが主流となっている。この通信システムでは、ＯＬＴからＯＮＵへ向けた下り通信とＯＮＵからＯＬＴに向けた上り通信とが相互に干渉し合わないように、下り通信に使われる光信号波長と上り通信に使われる光信号波長とを違えている。

【0003】

加入者系光アクセスシステムについては、更に、通信に用いる波長の多重度を上げた波長分割多重方式ＰＯＮ（ＷＤＭ−ＰＯＮ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ−ＰＯＮ）が検討されている。ＷＤＭ−ＰＯＮでは、ＯＬＴとＯＮＵに、複数の波長の光を合分波する光素子が必要となる。

【0004】

このような光素子の一例として、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄ Ｇｒａｔｉｎｇ）がある。ＡＷＧは、入力導波路、入力側スラブ導波路、異なる光路長を有する複数のチャネル導波路を含むアレイ導波路、出力側スラブ導波路及び出力導波路が、同一の基板上に平板光導波路回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）として形成される。しかし、コアとクラッドの屈折率差が小さい石英系光導波路では、湾曲光導波路の曲率半径を小さくすることが難しく、ＡＷＧを小型化できない。

【0005】

そこで、シリコン（Ｓｉ）を材料とするコアと、シリコンとの屈折率差が大きな酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を材料とするクラッドとを用いたシリコン細線導波路で、ＡＷＧを構成する例が報告されている（例えば、非特許文献１及び２参照）。シリコン細線導波路では、コアの屈折率がクラッドの屈折率よりも非常に大きい。このため、光の閉じ込めが強く、十分小さい曲率半径の湾曲光導波路を形成できる。また、シリコン電子デバイスの加工技術を利用して製造できるために、極めて微細なサブミクロンの断面構造を実現できる。これらのことから、シリコン細線導波路を用いることでＡＷＧを小型化することができる。

【0006】

しかし、シリコン細線導波路を用いるＡＷＧでは、ＡＷＧを構成する入力側及び出力側のスラブ導波路とチャネル導波路との接続部分で無視できない大きさの放射損失が生じることが知られている。この放射損失を低減する手法の一つとして、ＡＷＧを構成する導波路をリブ導波路構造にすることが試みられている。しかしながら、リブ導波路構造を採用すると、湾曲導波路部分の曲率半径を大きくしないと、この部分で無視できない放射損失が生じる。そこで、特殊なリブ導波路を利用して放射損失を低減する試みがなされている（非特許文献３参照）。

【0007】

また、特許文献１には、ＡＷＧを構成する入力側及び出力側のスラブ導波路とチャネル導波路の接続部分で発生する放射損失について、チャネル導波路を構成している複数のそれぞれの導波路で発生する放射損失を等しくするために、導波路モードカプラ（Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｍｏｄｅ ｃｏｕｐｌｅｒ）を利用する構造が開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】Ｗｉｍ Ｂｏｇａｅｒｔｓ， ｅｔ ａｌ．，“Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｆｉｌｔｅｒｓ Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｗｉｔｈ ＣＭＯＳ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ” ，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ｖｏｌ．１６，Ｎｏ．１，ｐｐ．３３〜４４（２０１０）．

【非特許文献2】Ｄａｏｘｉｎ Ｄａｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｕｌｔｒａｓｍａｌｌ Ｏｖｅｒｌａｐｐｅｄ Ａｒｒａｙｅｄ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉ Ｎａｎｏｗｉｒｅ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｆｏｒ Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ”，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．６，ｐｐ．１３０１〜１３０５（２００６）．

【非特許文献3】Ｊａｅｇｙｕ Ｐａｒｋ， ｅｔ ａｌ．，“Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ ｓｉｌｉｃｏｎ ａｒｒａｙｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ ｂｙ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈｅｒ ｏｒｄｅｒ ｍｏｄｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｏｆ ａ ｓｔａｒ ｃｏｕｐｌｅｒ” ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ ｖｏｌ．９３６７，ｐｐ．９３６７０５−１〜６（２０１５）．

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】米国特許第６，４４２，３０８号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかしながら、上述の非特許文献３に開示されているリブ導波路では、浅いステップエッチング技術が使われており、製造プロセスに高い技術が要請される。

【0011】

また、特許文献１に開示されたＡＷＧでは、チャネル導波路における放射損失を等しくすることが実現されるが、放射損失そのものを低減するという課題は解決されていない。

【0012】

そこで、この発明の発明者は、鋭意検討した結果、ＡＷＧ型光波長フィルタで用いられる光合分波素子において、チャネル導波路の入力側及び出力側のスラブ導波路との接続部分を特別な構成とすることによって、放射損失が低減できることを見出した。

【0013】

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、スラブ導波路と、複数の基本伝搬モード導波路の集合である導波路構造体が接続された光合分波素子であって、スラブ導波路と導波路構造体の接続部分で発生する放射損失が低減された光合分波素子を提供することにある。また、この光合分波素子を、入力側及び出力側のスラブ導波路と複数のチャネル導波路との接合部分に採用したＡＷＧ型光波長フィルタを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上述した目的を達成するために、光合分波素子は、スラブ導波路と導波路構造体を備えて構成される。導波路構造体は、スラブ導波路との接続位置から、多モード干渉（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）導波路カプラ及び幅狭導波路が導波方向に沿ってこの順に接続されて形成されている。ＭＭＩ導波路カプラの、導波方向に沿った両側にステップ部が形成されており、ステップ部の厚みが、ＭＭＩ導波路カプラの厚みより薄く、ステップ部の導波方向に沿った長さが、ＭＭＩ導波路カプラの導波方向に沿った長さと等しい。

【0015】

上述した光合分波素子の好適実施例によれば、ＭＭＩ導波路カプラと幅狭導波路との間に、例えば、互いにテーパ角が異なる第１ＭＭＩテーパ部及び第２ＭＭＩテーパ部が導波方向に沿ってこの順に接続されて構成されるＭＭＩ幅変化部を備えるのが良い。

【0016】

また、この発明のＡＷＧ型光波長フィルタは、入力導波路、入力側スラブ導波路、入力側導波路構造体、異なる光路長を有する複数のチャネル導波路を含むアレイ導波路、出力側導波路構造体、出力側スラブ導波路及び出力導波路がこの順に接続されて構成される。入力側スラブ導波路と入力側導波路構造体、及び、出力側スラブ導波路と出力側導波路構造体が、それぞれ上述の光合分波素子である。

【発明の効果】

【0017】

この発明の光合分波素子によれば、導波路構造体とスラブ導波路とを接続する領域の構成が上述の特徴を有することから、後述するように、この接続部分で発生する放射損失を低減できる。

【0018】

また、この発明のＡＷＧ型光波長フィルタによれば、アレイ導波路と入力側スラブ導波路との接続領域、及びアレイ導波路と出力側スラブ導波路との接続領域が、上述の光合分波素子を用いて形成されている。このため、両接続領域において発生する放射損失が低減されたＡＷＧ型の光波長フィルタが実現される。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】第１の光合分波素子の説明に供する図である。（Ａ）は第１の光合分波素子を構成する導波路コアの概略的構成図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＩ−Ｉで示す位置の概略的断面図であり、（Ｃ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩで示す位置の概略的断面図である。

【図2】第２の光合分波素子の説明に供する図であり、第２の光合分波素子を構成する導波路コアの概略的構成図である。

【図3】第１の光合分波素子の動作についての説明に供する図である。（Ａ）はＭＭＩ導波路カプラにステップ部が形成されていない場合の導波光の伝搬の様子を示し、（Ｂ）はステップ部が形成されている場合の導波光の伝搬の様子を示している。

【図4】３次元ＦＤＴＤを使用して第１の光合分波素子の動作をシミュレーションした結果についての説明に供する図である。

【図5】３次元ＦＤＴＤを使用して第２の光合分波素子の動作をシミュレーションした結果についての説明に供する図である。

【図6】３次元ＦＤＴＤを使用して第２の光合分波素子の他の条件での動作をシミュレーションした結果についての説明に供する図である。

【図7】ＡＷＧ型光波長フィルタの説明に供する図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、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限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

【0021】

（第１の光合分波素子）
図１を参照して、この発明の光合分波素子の第１の実施形態（以下、第１の光合分波素子と称する。）につき説明する。図１（Ａ）は、第１の光合分波素子を構成する導波路コアの平面パターンの概略的構成を示す図である。 図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩ−Ｉで示す位置で導波方向に垂直な断面で切断した概略的断面図である。また、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）のＩＩ−ＩＩで示す位置で導波方向に垂直な断面で切断した概略的断面図である。

【0022】

図１（Ａ）に示すように、第１の光合分波素子は、スラブ導波路１１と導波路構造体４を備えている。導波路構造体４は、スラブ導波路１１との接続位置から、ＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）導波路カプラ１４、幅狭導波路１９、第１テーパ導波路１５、幅広導波路１６及び第２テーパ導波路１７が、導波方向に沿ってこの順に接続されて構成されている。

【0023】

図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、幅狭導波路１９、第１テーパ導波路１５、幅広導波路１６及び第２テーパ導波路１７を構成する導波路コアはクラッド層２に囲まれて、基板１上に形成されている。そして、その導波方向に垂直に切断した断面形状は長方形である。

【0024】

また、図１（Ａ）及び（Ｃ）に示すように、ＭＭＩ導波路カプラ１４の導波方向に沿った両側の領域である左側導波路領域Ｌ及び右側導波路領域Ｒには、ＭＭＩ導波路カプラ１４の厚みより薄い厚さＤのステップ部１８が形成されている。ＭＭＩ導波路カプラ１４を構成する導波路コア及びステップ部１８を構成する導波路コアは、クラッド層２に上下方向に挟まれて、基板１上に一体として形成されている。

【0025】

ステップ部１８は、導波路構造体４の全体にわたっていても良いが、その場合には、導波路への光の閉じ込めが弱くなるため、導波路の曲率半径を大きくとる必要がある。その結果、素子サイズが大きくなってしまう。従って、ステップ部１８は、ＭＭＩ導波路カプラ１４の両側の領域にのみ設けるのが良い。この構成例では、ステップ部１８とＭＭＩ導波路カプラ１４のスラブ導波路１１との接続箇所からの距離を等しくしている。

【0026】

なお、ステップ部１８は、幅狭導波路１９の部分に設けられていなければ良い。ＭＭＩ導波路カプラ１４間の光の量が十分小さくなるのであれば、ステップ部１８のスラブ導波路１１との接続箇所からの距離が、ＭＭＩ導波路カプラ１４のスラブ導波路１１との接続箇所からの距離よりも短くても良い。

【0027】

図１（Ｂ）及び（Ｃ）に示す基板１はシリコン基板を利用し、クラッド層２は酸化シリコンを材料とするのが好適である。また、導波路構造体４を構成する導波路コアは、シリコンを材料とするのが好適である。

【0028】

幅狭導波路１９のＭＭＩ導波路カプラ１４との接続位置における幅は、ＭＭＩ導波路カプラ１４を導波する光が集光する幅程度にするのが良く、例えば、８００ｎｍに設定される。また、幅狭導波路１９の第１テーパ導波路１５との接続位置における幅は、シングルモードとなる幅程度にするのが良く、例えば、３００〜５００ｎｍに設定される。

【0029】

この光合分波素子をＡＷＧ型光波長フィルタに用いる場合、導波路構造体４は、一方の端部でスラブ導波路１１に接続され、他方の端部でチャネル導波路に接続される。このチャネル導波路におけるモード変換が生じるのを防ぐためにチャネル導波路の幅は、シングルモードとなる幅程度にするのが良く、例えば、３００〜５００ｎｍに設定される。

【0030】

また、この導波路構造体４において、幅誤差により生じる位相誤差を抑えるために、幅広導波路１６が設けられている。幅広導波路１６と幅狭導波路１９との接続領域、及び、幅広導波路１６とチャネル導波路との接続領域には、この領域での損失を抑えるために、それぞれ第１テーパ導波路１５及び第２テーパ導波路１７が設けられている。

【0031】

第１テーパ導波路１５は、幅狭導波路１９から幅広導波路１６へ向かうにつれて幅が広くなるテーパ形状である。また、第２テーパ導波路１７は、幅広導波路１６からチャネル導波路へ向かうにつれて幅が狭くなるテーパ形状である。

【0032】

なお、導波路構造体４における位相誤差を考慮する必要が無い場合は、第１テーパ導波路１５、幅広導波路１６及び第２テーパ導波路１７を備えない構成にしても良い。

【0033】

（第２の光合分波素子）
図２を参照して、この発明の光合分波素子の第２の実施形態（以下、第２の光合分波素子と称する。）につき説明する。図２は、第２の光合分波素子を構成する導波路コアの平面パターンの概略的構成を示す図である。

【0034】

第２の光合分波素子は、ＭＭＩ導波路カプラ１４と、幅狭導波路１９の間に、ＭＭＩ幅変化部１４ｐとして、第１ＭＭＩテーパ部１４ｐ１及び第２ＭＭＩテーパ部１４ｐ２が導波方向に沿ってこの順に接続されて構成されている点が、第１の光合分波素子と異なっている。その他の部分は、図１を参照して説明した第１の光合分波素子と同様に構成できるので、重複する説明を省略することもある。なお、ＭＭＩ幅変化部１４ｐを含めてＭＭＩ導波路カプラと称することもある。

【0035】

シミュレーションによると、ＭＭＩ導波路カプラ１４の厚さを２００ｎｍ、ステップ部１８の厚さを１３０ｎｍとしたとき、１ｄＢ以下の過剰損失を得るためには、第１の光合分波素子では、ＭＭＩ導波路カプラ１４の幅は、１．５μｍが最大である。これに対し、第２の光合分波素子では、ＭＭＩ導波路カプラ１４の幅を３μｍ程度にしても、１ｄＢ以下の過剰損失が得られる。

【0036】

第２ＭＭＩテーパ部１４ｐ２のテーパ角は、第１ＭＭＩテーパ部１４ｐ１のテーパ角よりも大きい。また、第２ＭＭＩテーパ部１４ｐ２と幅狭導波路１９の接続位置における、両者の幅は等しい。なお、図２では、ＭＭＩ導波路カプラ１４と第１ＭＭＩテーパ部１４ｐ１の接続位置における両者の幅は、等しく示されているが、必ずしも同一である必要はない。

【0037】

ここで、第１ＭＭＩテーパ部１４ｐ１及び第２ＭＭＩテーパ部１４ｐ２のテーパ角や長さについては、シミュレーション等により、より良い特性を得られる設計にすればよい。また、ステップ部１８を第１ＭＭＩテーパ部１４ｐ１の途中まで設けても良い。

【0038】

ここでは、ＭＭＩ導波路カプラ１４と幅狭導波路１９の間に、ＭＭＩ幅変化部１４ｐとして、第１ＭＭＩテーパ部１４ｐ１及び第２ＭＭＩテーパ部１４ｐ２を備える構成例を説明したが、これに限定されない。ＭＭＩ幅変化部１４ｐをパラボラ型の構造にするなど、曲線的に幅が変化する構造にしても良い。

【0039】

（光合分波素子の製造方法）
図１及び図２に示す光合分波素子を構成する導波路コアパターン構造体は、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を入手して、以下の工程によって形成できる。

【0040】

先ず、ＳＯＩ基板の酸化シリコン層上に形成されているシリコン層に対して、導波路コアとなる部分（導波路コアパターン構造体）を残してドライエッチング等を行い、他の部分のシリコン層を取り除く。ＭＭＩ導波路カプラ１４を構成する導波路コアの段差構造であるステップ部１８については、２回のエッチング工程で形成することができる。

【0041】

次に、ドライエッチング等の処理で残された導波路コアパターン構造体を取り囲む酸化シリコン層を、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等によって形成する。このようにして、光合分波素子を構成する導波路コアと、その周囲のクラッド層とが形成される。

【0042】

このように、この発明の光合分波素子は、ＳＯＩ基板を用いて周知のエッチング処理、ＣＶＤ法等によって形成することが可能であるので、量産性に優れ低コストで簡便に形成することが可能である。

【0043】

（光合分波素子の動作）
図３を参照して、ＭＭＩ導波路カプラ１４と幅狭導波路１９における導波光の伝搬形態について説明する。図３（Ａ）は、ＭＭＩ導波路カプラ１４及び幅狭導波路１９にステップ部１８が形成されていない構造における導波光の伝搬の様子を示している。また、図３（Ｂ）は、ＭＭＩ導波路カプラ１４にステップ部１８が形成された第１の光合分波素子の構造における導波光の伝搬の様子を示している。

【0044】

図３（Ａ）及び（Ｂ）では、スラブ導波路１１、ＭＭＩ導波路カプラ１４及び幅狭導波路１９における導波光の伝搬形態を、光電場強度の分布を示す曲線２１〜２４によって示している。これらの曲線２１〜２４は、光電場強度０を底辺（Ｌ−０）にして、光電場強度の大きさに比例してＬ−０から離れるように描いてある。曲線２１は、スラブ導波路１１を伝搬する導波光の強度分布を示している。スラブ導波路１１を伝搬する導波光は球面波であるが局所的にみると平面波とみなせるので、曲線２１はほぼ直線で示されている。このため、曲線２１に対しては、光電場強度の最小値を示す底辺（Ｌ−０）を省略してある。

【0045】

ステップ部１８が形成されていない場合は、図３（Ａ）に示すように、ＭＭＩ導波路カプラ１４を伝搬する導波光は、曲線２２で示す形態の伝搬光となる。

【0046】

ＭＭＩ導波路カプラ１４を伝搬光が伝搬している間に伝搬モードが変換され、幅狭導波路１９に等強度曲線２３に示す形態の伝搬モードで入力される。等強度曲線２３で示される導波光は、幅狭導波路１９を基本伝搬モードで伝搬する。

【0047】

ＭＭＩ導波路カプラ１４は、スラブ導波路１１の出力端に並列されて複数設置される。この隣接するＭＭＩ導波路カプラ１４の隙間Ｇの部分を隣接間ギャップ１４ｇとする。

【0048】

スラブ導波路１１の伝搬光はＭＭＩ導波路カプラ１４に入力されると、隣接間ギャップ１４ｇから漏れ出し放射損失となる。ＭＭＩ導波路カプラ１４の導波光は、伝搬モードが変換されて幅狭導波路１９に入力されるが、幅狭導波路１９に入力される伝搬光のエネルギーには、ＭＭＩ導波路カプラ１４を伝搬中に隣接間ギャップ１４ｇに漏れ出るエネルギー成分も一部含まれる。

【0049】

隣接間ギャップ１４ｇでは光電場強度が弱くなっているため、隣接間ギャップ１４ｇにおける曲線２２ｇは、底辺（Ｌ−０）に近い位置にある。これは、スラブ伝搬光２１とモード形状のミスマッチが大きくなり、隣接間ギャップ１４ｇに漏れ出る伝搬光が多く、ここで発生する放射損失が大きいことを意味している。

【0050】

一方、ステップ部１８が形成されている場合は、図３（Ｂ）に示すように、ＭＭＩ導波路カプラ１４を伝搬する固有の導波光は、曲線２４で示す形態の伝搬光となる。

【0051】

ここで、隣接間ギャップ１４ｇにおける固有の光電場強度を、ステップ部１８が形成されていない場合(曲線２２ｇ)と形成されている場合(曲線２４ｇ)とで比較すると、ステップ部１８が形成されている場合の方が強いことがわかる。

【0052】

ＭＭＩ導波路カプラ１４の導波光が、伝搬モードが変換されて幅狭導波路１９に入力されるとき、隣接間ギャップ１４ｇにおける光電場強度が強いほど、スラブ伝搬光２１とモードマッチングする割合が大きくなり、幅狭導波路１９に入力される伝搬光のエネルギーも大きくなる。すなわち、ステップ部１８が形成されている場合、隣接間ギャップ１４ｇにおける光電場強度が、ステップ部１８が形成されていない場合より強い。この隣接間ギャップ１４ｇにおける光は、図３（Ｂ）に矢印２５で示すように、伝播中にＭＭＩ導波路カプラ１４に吸い込まれる。その結果、ステップ部１８を設けることにより、幅狭導波路１９に入力される伝搬光の光電場強度が強くなる。

【0053】

以上、スラブ導波路１１からＭＭＩ導波路カプラ１４に向けて導波光が進行し、スラブ導波路１１に入力された導波光が、複数のＭＭＩ導波路カプラ１４に分波される場合（光分波器として利用される場合）を説明した。逆に、複数のＭＭＩ導波路カプラ１４を伝搬して、スラブ導波路１１に合波される場合（光合波器として利用される場合）は、分波される場合とは逆の過程が起き、幅狭導波路１９を伝搬する基本伝搬モードの伝搬光がＭＭＩ導波路カプラ１４とスラブ導波路１１の接続位置で、等強度曲線２４で表される伝搬モードに変換されて、スラブ導波路１１を伝搬する等強度曲線２１で表される伝搬モードとカップリングする。したがって、光合波器として利用される場合にも、ステップ部１８を備える構成のほうが好ましいことがわかる。

【0054】

（動作特性のシミュレーション）
図４〜６を参照して、３次元ＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ）を使用して光合分波素子の動作をシミュレーションした結果について説明する。

【0055】

図４は、第１の光合分波素子についてのシミュレーション結果を説明するための図である。図４（Ａ）は、第１の光合分波素子の模式図である。図４（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれ、ＴＥ波のＥｘ成分及びＨｙ成分を示している。また、図４（Ｄ）は、過剰損失の波長依存性を示す図であって、横軸に波長（単位：μｍ）で取り、縦軸に、過剰損失（単位：ｄＢ）で取って示している。

【0056】

ここでは、ＭＭＩ導波路カプラ１４の幅Ｗ１４及び長さＬ１４をそれぞれ１．５μｍ及び２．７１２μｍ、隣接間ギャップ１４ｇの幅Ｇを５００ｎｍとした。また、ＭＭＩ導波路カプラ１４の厚さを２００ｎｍ、ステップ部１８の厚さを１３０ｎｍとした。

【0057】

幅狭導波路１９については、一端側であるＭＭＩ導波路カプラ１４との接続幅Ｗ１９ａを８００ｎｍとし、他端側の幅Ｗ１９ｂをシングルモード幅の５００ｎｍとし、幅狭導波路１９の長さＬ１９を１３．５μｍとした。

【0058】

図４（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるように、波長１．６μｍのＴＥ波を伝播させると、スラブ導波路１１を伝播する平面波は、隣接間ギャップ１４ｇをしばらく伝播するが、伝播中にＭＭＩ導波路カプラ１４中に移行する。その結果、ＭＭＩ導波路カプラ１４と幅狭導波路１９との接続位置、すなわち、ＭＭＩ導波路カプラ１４の終端部では、隣接間ギャップ１４ｇを伝播する光の量が少なくなる。

【0059】

また、図４（Ｄ）に示されるように、過剰損失は、１．４５〜１．７μｍの波長範囲で、０．６５〜０．８２ｄＢ程度に抑えられている。

【0060】

なお、ステップ部１８を備えない構成で同様のシミュレーションを行うと、過剰損失は、２．５〜３ｄＢの大きな値となる。また、ステップ部１８を備えない構成では、ＭＭＩ導波路カプラ１４に多数のモードが励起され、きれいに集光しないことも判明した。

【0061】

図５は、第２の光合分波素子についてのシミュレーション結果を説明するための図である。図５（Ａ）は、第２の光合分波素子の模式図である。図５（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれ、ＴＥ波のＥｘ成分及びＨｙ成分を示している。また、図５（Ｄ）は、過剰損失の波長依存性を示す図であって、横軸に波長（単位：μｍ）で取り、縦軸に、過剰損失（単位：ｄＢ）で取って示している。

【0062】

ここでは、ＭＭＩ導波路カプラ１４の幅Ｗ１４及び長さＬ１４をそれぞれ３μｍ及び２．８５１６μｍ、隣接間ギャップ１４ｇの幅Ｇを５００ｎｍとした。また、ＭＭＩ導波路カプラ１４の厚さを２００ｎｍ、ステップ部１８の厚さを１３０ｎｍとした。

【0063】

幅狭導波路１９については、幅Ｗ１９を４６０ｎｍの一定値とし、長さＬ１９を１３．５μｍとした。

【0064】

第１ＭＭＩテーパ部１４ｐ１及び第２ＭＭＩテーパ部１４ｐ２の接続幅Ｗ１４ｐは、ＭＭＩ導波路カプラ１４の幅Ｗ１４と、幅狭導波路１９の幅Ｗ１９の中間値である１．７３μｍとした。第１ＭＭＩテーパ部１４ｐ１の長さＬ１４ｐ１を、ＭＭＩ導波路カプラ１４の長さＬ１４と同じ長さとし、第２ＭＭＩテーパ部１４ｐ２の長さＬ１４ｐ２を、ＭＭＩ導波路カプラ１４の長さＬ１４の２／３とした。

【0065】

図５（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるように、スラブ導波路１１を伝播する平面波は、隣接間ギャップ１４ｇをしばらく伝播するが、伝播中にＭＭＩ導波路カプラ１４中に移行する。その結果、ＭＭＩ導波路カプラ１４と幅狭導波路１９との接続位置、すなわち、ＭＭＩ導波路カプラ１４の終端部では、隣接間ギャップ１４ｇを伝播する光の量が少なくなり、ステップ部１８の終端部では、隣接間ギャップ１４ｇを伝播する光が存在していない。

【0066】

また、図５（Ｄ）に示されるように、過剰損失は、１．４５〜１．７μｍの波長範囲で、０．５９〜０．７７ｄＢ程度に抑えられている。

【0067】

図６は、第２の光合分波素子についての他の条件におけるシミュレーション結果を説明するための図である。図６は、過剰損失の波長依存性を示す図であって、横軸に波長（単位：μｍ）で取り、縦軸に、過剰損失（単位：ｄＢ）で取って示している。

【0068】

ここでは、ＭＭＩ導波路カプラ１４の幅Ｗ１４及び長さＬ１４をそれぞれ５μｍ及び６．９３μｍ、隣接間ギャップ１４ｇの幅Ｇを５００ｎｍとした。また、ＭＭＩ導波路カプラ１４の厚さを２００ｎｍ、ステップ部１８の厚さを１３０ｎｍとした。

【0069】

幅狭導波路１９については、幅Ｗ１９を４６０ｎｍの一定値とし、長さＬ１９を１３．５μｍとした。

【0070】

第１ＭＭＩテーパ部１４ｐ１及び第２ＭＭＩテーパ部１４ｐ２の接続幅Ｗ１４ｐは、ＭＭＩ導波路カプラ１４の幅Ｗ１４と、幅狭導波路１９の幅Ｗ１９の中間値である２．７３μｍとした。第１ＭＭＩテーパ部１４ｐ１の長さＬ１４ｐ１は、ＭＭＩ導波路カプラ１４の長さＬ１４と同じ長さとし、第２ＭＭＩテーパ部１４ｐ２の長さＬ１４ｐ２は、ＭＭＩ導波路カプラ１４の長さＬ１４の１／２．７の長さとした。

【0071】

図６に示されるように、過剰損失は、１．４５〜１．７μｍの波長範囲で、０．７５〜１．１５ｄＢ程度に抑えられている。

【0072】

（アレイ導波路回折格子型光波長フィルタ）
図７を参照して、この発明のＡＷＧ型光波長フィルタの実施形態につき説明する。この発明のＡＷＧ型光波長フィルタは、入力導波路１２、入力側スラブ導波路１１ａ、入力側導波路構造体４ａ、異なる光路長を有する複数のチャネル導波路で構成されるアレイ導波路３０、出力側導波路構造体４ｂ、出力側スラブ導波路１１ｂ及び出力導波路１３を備え、この順に接続されて構成されている。

【0073】

出力導波路１３は複数本の導波路をアレイ状にして構成されている。すなわち、図７に示すＡＷＧ型光波長フィルタは、入力導波路１２に入力された入力光が波長ごとに分波されて出力導波路１３から出力される構成の光波長フィルタである。入力側スラブ導波路１１ａと入力側導波路構造体４ａ、及び、出力側スラブ導波路１１ｂと出力側導波路構造体４ｂは、上述の第１又は第２の光合分波素子を用いて形成されている。

【0074】

アレイ導波路３０を構成する複数のチャネル導波路のそれぞれは、入力側曲線導波路５ａ、第１直線導波路６、第１曲線導波路７、第２直線導波路８、第２曲線導波路９、第３直線導波路１０、出力側曲線導波路５ｂがこの順に接続されている。なお、以下の説明において、入力側導波路構造体４ａ及び出力側導波路構造体４ｂをアレイ導波路３０に含めることもある。

【0075】

入力光は、入力導波路１２から入力側スラブ導波路１１ａに入力され、出力光は出力側スラブ導波路１１ｂから出力導波路１３を介して外部に出力される。入力側スラブ導波路１１ａと出力側スラブ導波路１１ｂは、入力側スラブ導波路１１ａの対称中心軸Ｓ１と出力側スラブ導波路１１ｂの対称中心軸Ｓ２とが互いに平行となるように配置されている。

【0076】

アレイ導波路３０を構成する複数のチャネル導波路のそれぞれにおいて、入力側導波路構造体４ａの全長と出力側導波路構造体４ｂの全長の和は、互いに等しく設定されている。また、対となる入力側曲線導波路５ａと出力側曲線導波路５ｂの互いの曲げ部分の曲率半径は等しく設定されている。これは曲率半径が異なると等価屈折率も異なり、位相誤差が発生する原因となるからである。

【0077】

アレイ導波路３０を構成する複数のチャネル導波路ごとに、第１曲線導波路７及び第２曲線導波路９は同一構造にして、この曲線導波路部分で位相誤差が発生しないように考慮されている。また、第１直線導波路６、第２直線導波路８、第３直線導波路１０は、この直線導波路部分で発生する位相誤差がＡＷＧ型光波長フィルタの特性に与える効果を小さくするため、導波路幅を０．７〜１μｍの範囲に設定する。

【0078】

一方、入力側曲線導波路５ａ、出力側曲線導波路５ｂ、第１曲線導波路７及び第２曲線導波路９の導波路幅は、この導波路部分で伝搬モードの変換が生じないように、基本伝搬モードが保証される３００〜５００ｎｍに設定する。なお、直線導波路部分と曲線導波路部分を接合する結合領域は、両者の導波路幅の差を滑らかに解消するように幅テーパ導波路を用いる。

【0079】

また、第２直線導波路８はアレイ導波路３０の中心に配置され、第１直線導波路６と第３直線導波路１０は、第２直線導波路８に対して対称の関係となる位置に配置される。第１曲線導波路７と第２曲線導波路９も、第２直線導波路８に対して対称の関係となる位置に配置される。

【0080】

図７に示すＡＷＧ型光波長フィルタによれば、入力側スラブ導波路１１ａと入力側導波路構造体４ａ、及び、出力側スラブ導波路１１ｂと出力側導波路構造体４ｂに、図１又は図２を参照して説明した第１又は第２の光合分波素子を用いている。このため、両接続領域において発生する放射損失が低減されるので、全体として放射損失が低減されたＡＷＧ型光波長フィルタが実現される。

【符号の説明】

【0081】

１ 基板
２ クラッド層
４ 導波路構造体
４ａ 入力側導波路構造体
４ｂ 出力側導波路構造体
５ａ 入力側曲線導波路
５ｂ 出力側曲線導波路
６ 第１直線導波路
７ 第１曲線導波路
８ 第２直線導波路
９ 第２曲線導波路
１０ 第３直線導波路
１１ スラブ導波路
１１ａ 入力側スラブ導波路
１１ｂ 出力側スラブ導波路
１２ 入力導波路
１３ 出力導波路
１４ ＭＭＩ導波路カプラ
１４ｐ ＭＭＩ幅変化部
１４ｐ１ 第１ＭＭＩテーパ部
１４ｐ２ 第２ＭＭＩテーパ部
１５ 第１テーパ導波路
１６ 幅広導波路
１７ 第２テーパ導波路
１８ ステップ部
１９ 幅狭導波路
３０ アレイ導波路
Ｌ 左側導波路領域
Ｒ 右側導波路領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】