【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、平面レンズまたは低次アレイマルチプレクサとして有用な集積光デバイスに関する。 本発明は、特に、光信号の広帯域多重化および多重化解除に有用である。

【０００２】

【従来の技術】広帯域波長分割マルチプレクサ（ＷＤ
Ｍ）は光通信に多くの応用を有する。 例えば、ＷＤＭ
は、光増幅システムにおいてポンピング波長と信号波長を結合するために使用可能である。 他の例として、ＷＤ
Ｍは、異なる波長を中心とする帯域を加えることによって光ファイバの長距離容量を増大させることができる。
例えば、１．５５マイクロメートルを中心とする帯域を、１．３０マイクロメートル帯域の容量を補足するために加えることができる。 こうした２つの帯域は、単一ファイバでの双方向通信に使用可能である。

【０００３】ＷＤＭは、広い波長帯域で光信号を結合および分離することが可能な要素を必要とする。 このような要素には主として２つのタイプがある。 それらのタイプは、マッハ・ツェンダー干渉計および波長依存方向性カプラである。 このようなデバイスは、単一マスクレベルを使用して光導波路によって容易に製造され、低い後方反射率および高いピーク透過率を有する。 しかし、そのスペクトルのふるまいは正弦波的であるため、クロストークが低いのは狭い波長範囲のみである。 さらに、狭帯域拒絶の正確に制御された波長でこのようなデバイスを製造するのは非常に困難である。 結果として、干渉計および方向性カプラは広帯域の応用に不適当であることが多く、拒絶範囲を増大させるために薄膜フィルタが必要とされる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】導波路アレイから製造された新しいタイプの集積光マルチプレクサが、米国特許出願第０７／７４８，１３１号（発明者：Ｃ．ドラゴン、出願日：１９９１年８月２１日。なお、この出願を基礎として優先権主張して、特願平４−２４４０８５号が出願されている）に記載されている。 この集積デバイスは、カプラの対の間に配置された導波路のアレイからなる。 これは、密な波長分割多重化のための、近接して離間した、狭帯域チャネルを作成するのに有用である。
しかし、これは、低次デバイスを必要とする広帯域マルチプレクサには適しない。 従って、低次グレーティングまたはレンズとして使用可能な集積光デバイスが要求される。

【０００５】

【課題を解決するための手段】平面レンズまたは低次アレイマルチプレクサとして有用な集積光デバイスは、１
対の光カプラと、近接して離間した光路長を与えるためにＳ字形にカプラ間に広がる複数の導波路のアレイとからなる。 Ｓ字配置は、光学レンズに等しい光路長を与える。 曲線反転の間の領域のＳ字に追加される光路長は、
低次アレイマルチプレクサまたはデマルチプレクサに小さい光路長増分を与えることができる。

【０００６】

【実施例】図１に、従来型の導波路アレイマルチプレクサ１０を示す。 これは、第１のアレイカプラ１１と第２
のアレイカプラ１２とからなり、この２つのアレイカプラはｎ個の導波路Ｗ ₁ ，Ｗ ₂ ，． ． ． ，Ｗ _nによって結合される。 アレイカプラ１１および１２は、一般的に、入力または出力点と、複数の周辺分配導波路の間にほぼ同一の光路を与えるようにそれぞれ配置されたスラブ導波路領域である。

【０００７】ある動作モードでは、カプラ１１は入力導波路１３からＰ _iで光を受信し、カプラ１２は受信光をＰ _oの近くの出力導波路の対１４および１５に分配する。 カプラ１１と１２の間のｎ個の導波路のアレイは、
クロストークを縮小するために、カプラから離れて広がる導波路によってＣ字型に配列される。 外側の導波路は、その内側の導波路よりも、一定量Δｌだけ長い光路を与える。

【０００８】動作時に、入力導波路１３の基本モードの光は、回折によってカプラ１１の中心から広がり、定位相の円形波面を形成する。 カプラ１１の周囲の導波路はすべて等しい位相で励起される。 導波路がバラバラであるため、光信号は分解する。 しかし、分解後、導波路中の光は最初は円形位相波面とともに継続し、導波路が最初に励起されたときと同じ振幅分布をほぼ保持する。

【０００９】このアレイは、外側の導波路がその内側の隣の導波路と比較してΔｌだけ長くなるように設計される。 Δｌ＝ｍλ ₀ （λ ₀は媒質中の波長、ｍは整数の次数）である場合、カプラ１２内の光の位相波面は、Ｐ _o
でカプラ軸に集束する円形波を形成する。 異なる波長λ
₀ ＋Δλでは、アレイから現れる位相波面はカプラ軸Ｃ
Ｃ´に対して小さい角度θだけ傾斜し、カプラ軸からθ
だけ角度的に変位した導波路１５へ、Ｐ _oの近くで効率的に結合される。

【００１０】この例で、出力導波路１４はλ ₀に結合するように配置され、出力導波路１５はλ ₀ ＋Δλに結合するように配置される。 従って、このデバイスは、導波路１３からの２つの波長入力（λ ₀およびλ ₀ ＋Δλ）を受信するために使用可能であり、波長分離された出力、
すなわち、１４でλ ₀および１５でλ ₀ ＋Δλを与える。
こうして、このデバイスはグレーティングおよびデマルチプレクサとして作用する。 逆方向には、これはマルチプレクサとして作用する。

【００１１】この従来型構造の困難は、低次デバイス、
すなわち、ｍの値が約１０未満のデバイスを作成しようとすると生じる。 低次デバイスは、波長の数倍のオーダーの光路差Δｌを要求する。 また、導波路は、分解のために分離され、損失を防ぐために鋭い曲げを回避するという条件もある。 これらの競合する条件を考えると、図１のＣ字形アレイは、低次グレーティングに必要な小さい一定の光路差を与えるように容易に適合させることはできない。 すなわち、従来型の構造は、広帯域マルチプレクサまたは平面レンズを作成するように容易に適合させることができない。

【００１２】図２は、集積平面光学レンズとして作用するように適合されたデバイスの概略図である。 図２のデバイスは、アレイカプラ２１と２２の間のｎ個の導波路（Ｗ ₁ ，Ｗ ₂ ，．．．，Ｗ _n ）がＣ字形ではなくＳ字形に配列されること以外は図１のデバイスと同様である。 特に、各導波路は２つのほぼ円形の弧からなる。 これらの弧は、カプラ間の中間のＡＡ´で湾曲の向きを反転する。 Ｓ字配置では、ｎ個の導波路はそれぞれカプラ２１
と２２の間で等しい光路長を示す。 従って、カプラ２１
の中心Ｐ _iから放出された光は、ｎ個の導波路のそれぞれから等しい位相でカプラ２２の中心Ｐ _oに到着する。
こうして、Ｐ _iとＰ _oは共役点となり、この構造体は、単一の出力導波路２４によって、平面レンズとして作用する。

【００１３】特に、カプラ２１は、Ｐ _iにおける入力導波路２３と、周囲に配列された複数の導波路（Ｗ ₁ ，
Ｗ ₂ ，． ． ． ，Ｗ _n ）のそれぞれの間に等しい光路長を与える円形部分では、スラブ形状導波路とするのが好ましい。 カプラ２２も、周囲の位置で複数の導波路を受容し、導波路から２２の中心Ｐ _oまでに等しい光路長を与える、同様のスラブ形状導波路であるのが好ましい。

【００１４】導波路のＳ字配置が、２１から２２までの等しい光路長を与えるように設計可能であることは、Ｃ
字形デバイスにおいて直線Ｐ _o Ｐ _iに垂直な対称軸ＡＡ´
を考えることによって図１から分かる。 図１のデバイスでは、導波路と光路長の関係は次の通りである。 Ｗ ₁ ＝ｌ，Ｗ ₂ ＝ｌ＋Δｌ，Ｗ ₃ ＝ｌ＋２Δｌ，． ． ． ，
Ｗ _n ＝ｌ＋（ｎ−１）Δｌ ここで、ＡＡ´で切断し、Ｗ ₁の左半分がＷ _nの右半分と接続され、Ｗ ₂の左半分がＷ _n-1の右半分と接続され、などとなるように構造体を１８０度回転することによって形成されるＳ字構造体を考える。 すると、各導波路の全光路長は等しく、ｌ＋（ｎ−１）Δｌ／２となる。 さらに、クロストークを縮小するために必要な分離は保持され、鋭い曲げは導入されない。 こうして、Ｓ字配置集積光デバイスは、Ｐ _iからＰ _oまでに等しい光路長を与えることができる。

【００１５】図２の構造体のマスクを設計する指針として、図２から、入力カプラファンアウトを形成する直線導波路は、直線ＡＡ´への垂線にまで曲げられることが分かる。 直線ＡＡ´は、入力光軸に対して角度π／２−
γ ₀だけ傾斜する。 入力部分の各導波路は、１５ｍｍ以上の曲率半径を有する円弧に接続された直線セグメントからなる。 入力部導波路の隣接導波路間での光路差は等しく、Ｗ ₁が最短でＷ _nが最長となるように光路長が増大するように配列される。 また、導波路は、直線ＡＡ´との交点では等間隔である。 出力部分は、湾曲方向が反転されて対称である。 全デバイス寸法を最小にするため、
γ ₀は３０゜に最適化される。 例えば、デバイスの全長は２５ｍｍ、高さは４ｍｍである。

【００１６】図２のデバイスは、シリコン基板上のリンドープガラス導波路からなるのが好ましい。 これは、
Ｃ． Ｈ． ヘンリ他「ハイブリッド光パッケージのためのシリコン上のガラス導波路」Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ
Ｔｅｃｈｎｏｌ． 第７巻第１５３０〜１５３９ページ（１９８９年）に記載のように製造される。 本質的に、
シリコン基板が用意され、ＳｉＯ ₂の１５マイクロメートルのベース層が高圧気相酸化によってシリコン上に成長される。

【００１７】３〜４マイクロメートルの範囲の厚さを有する８％リンドープガラスのコア層がＬＰＣＶＤを使用して酸化物上に堆積され、このコア層は、カプラおよび導波路をパターン形成するためにＲＩＥのような方法で乾式エッチングすることができる。 次に、コアガラスがアニールされ、その後、リン・ホウ素ドープガラスの７
マイクロメートルの層が、上部クラッディングとして作用するように堆積される。 典型的な導波路コア幅は４．
５〜６．５マイクロメートルであり、隣接導波路間の典型的な分離間隔は中心間で３０マイクロメートルであり、典型的な最小曲げ半径は約１５ｍｍである。

【００１８】図３に、低次アレイでマルチプレクサとして作用する、本発明によるデバイスの概略図を示す。 このＳ字グレーティングは、このグレーティングにおいて、長さが増加するほぼ直線の領域が、曲線反転の領域ＩＩの導波路に追加されていることを除いては、Ｓ字レンズと同様である。 特に、追加されたセグメント３０
は、ＡＡ´とＢＢ´の間のセグメントである。

【００１９】この追加領域によって、隣接する各導波路はΔｌだけ内側のものよりも長い光路長を有する。 この増分は、鋭い曲げや、導波路間の間隔を小さくすることなく追加される。 従って、Ｓ字グレーティングにおける隣接する導波路は、Ｃ字デバイスにおける増分よりもはるかに短い長さの増分で容易に与えられる。 こうして、
このデバイスは図１のデバイスのようなデマルチプレクサとして作用する。 すなわち、出力導波路２３でチャネルλ ₁およびλ ₂を受信し、出力２４でチャネルλ ₁ 、および、出力２５でチャネルλ ₂という分離された出力チャネルを与える。 また、逆方向には、このデバイスはマルチプレクサとして作用することができる。 すなわち、
２４および２５における別々のチャネルλ ₁ 、λ ₂を単一の出力導波路２３に出力する。

【００２０】図３のデバイスのマスクレイアウトは、入力部分Ｉと出力部分ＩＩＩの間の曲線反転領域に位置する拡張部分ＩＩを除いては図２のデバイスのものと同様である。 部分ＩＩの導波路は、例えば、小さい角度θ _w
の同心円弧であり、その曲率半径は少なくとも１５ｍｍ
以上である。 部分ＩＩの導波路間の光路差（これは全光路差Δｌを決定する）は、角度θｗおよび直線ＡＡ´およびＢＢ´に沿った導波路間の間隔ｄｈに関係し、Δｌ
＝θ _w ｄｈとなる。 θ _wを制御することによって、部分Ｉ
およびＩＩＩの設計と同一の所望の次数のアレイマルチプレクサが得られる。 θ _w ＝０の極限では、デバイスは平面レンズとなる。

【００２１】Ｓ字アレイが次数１、３および８で広帯域の２つのチャネル多重化用に製造された。 これらのデバイスの主な構造パラメータを図４および５に示す。 これらの図は、それぞれ、好ましいカプラ２１および２２付近の領域の拡大図である。 図４で、ａは、入力カプラ２
１の周囲での導波路Ｗ ₁ ，Ｗ ₂ ，． ． ． ，Ｗ _n間の中心間間隔である。 円形波面の中心は、導波路の出口点からΔ
ｚだけ後退している。 Ｗは導波路幅であり、ｒはアレイ半径である。

【００２２】図５で、θ ₁およびθ ₂は、カプラ軸ＣＣ´
と、それぞれλ ₁およびλ ₂を中心とする帯域を受信する出力導波路２４および２５との間のオフセット角である。 Δｚ _Aは、導波路がほぼ対称的なアレイ励起に従う点までの距離である。

【００２３】次の表１に列挙するパラメータを有する３
個のグレーティング（フィルタ）を製造し試験した。

【表１】

【００２４】次に、これらのデバイスのスペクトル透過特性が、１１００μｍに近いカットオフ波長の標準的な単一モードファイバを使用して、これらのデバイスを通して光を結合することによって測定された。 従来の導波路マルチプレクサと比較して、これらのデバイスは、低いクロストークの広いスペクトル範囲を示す。 最良の性能のデバイスはアレイ１である。 その測定された透過特性を図６に示す。 このデバイスのクロストークおよびファイバ間挿入損失はそれぞれ約−３５ｄＢおよび−２ｄ
Ｂであり、これは、これまでアレイマルチプレクサについて報告されている最低値であると考えられる。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、低次グレーティングまたはレンズとして使用可能な集積光デバイスが実現される。 本発明の実施例のデバイスのクロストークおよびファイバ間挿入損失は、これまでアレイマルチプレクサについて報告されている最低値であると考えられるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が解決する問題点を説明するために使用する、従来型集積光デマルチプレクサの概略図である。

【図２】本発明による集積平面光学レンズの概略図である。

【図３】本発明による集積低次グレーティングの概略図である。

【図４】図３のデバイスの構造パラメータを説明する、
入力アレイカプラの概略図である。

【図５】図３のデバイスの構造パラメータを説明する、
出力アレイカプラの概略図である。

【図６】図３のタイプのデバイスを特徴づける性能を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１０ 従来型導波路アレイマルチプレクサ １１ 第１アレイカプラ １２ 第２アレイカプラ １３ 入力導波路 １４ 出力導波路 １５ 出力導波路 ２１ アレイカプラ ２２ アレイカプラ ２３ 入力導波路 ２４ 出力導波路

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