JP5399693B2 - 光波長合分波回路 - Google Patents

Description

本発明は、光波長合分波回路に関し、より詳しくは透過波長の温度依存性が補償されたアレイ導波路回折格子型の光波長合分波回路に関する。

シリコン基板上に形成した石英系ガラス導波路によって構成されたプレーナ光波回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）の研究開発が盛んに行われている。かかるＰＬＣ技術を利用したアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）は、光波長合分波を実現する回路であり、光通信用の部品として重要な役割を果たしている。

ＡＷＧは、合分波される光の透過波長に温度依存性を有する。これは、ＡＷＧを構成する石英系ガラス導波路の実効屈折率が温度依存性を有する故である。そのため、通常のＡＷＧにおいては、波長透過特性を一定に保持するために、温度調節装置を付加する必要があった。

ＡＷＧに付加的に必要とされた温度調節装置を省略するため、ＡＷＧの透過波長の温度依存性を低減する方法が開発されている。この方法については、例えば特許文献１および２に開示されている。透過波長の温度依存性を低減したＡＷＧは、温度無依存ＡＷＧ、あるいはアサーマルＡＷＧと呼ばれる。特許文献１および２に開示されたアサーマルＡＷＧは、ＡＷＧ内の各光経路（アレイ導波路あるいはスラブ導波路）において、光波の進行軸に交差するように溝を形成し、その溝に導波路の実効屈折率の温度係数とは異なる屈折率温度係数を有する材料（以下、「温度補償材料」という。）を挿入することによって実現される。

図３５（ａ）は、スラブ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧの従来の構成例を示す図である。このアサーマルＡＷＧ４１００は、第一の入出力導波路４１０１と、第一のスラブ導波路４１０２と、アレイ導波路４１０３と、第二のスラブ導波路４１０４と、第二の入出力導波路４１０５と、溝４１０６とを備え、溝４１０６には温度補償材料が充填されている。この構成例では、溝４１０６は第一のスラブ導波路４１０２に形成されている。

図３５（ｂ）は、図３５（ａ）の線分Ａ−Ａ’での断面構造を示す図である。図に示すように、シリコン基板４１０７にスラブ導波路４１０２の導波路コア４１０８およびクラッド４１０９が形成されている。溝４１０６は、導波路コア４１０８を分断するように導波路コア４１０８およびクラッド４１０９の一部が取り除かれて形成されている。図３５において、溝４１０６は複数の溝に分割されている。これは、単一の溝よりも、放射損失を低減することが可能だからである。

アサーマルＡＷＧ４１００では、第一の入出力導波路４１０１に入力された波長多重信号光が第二の入出力導波路４１０５の各導波路へ分波され、波長チャネルごとの信号光として出力される。また、第二の入出力導波路４１０５の各導波路に入力された波長チャネルごとの信号光が第一の入出力導波路４１０１へ合波され、波長多重信号光として出力される。すなわち、このアサーマルＡＷＧは、光波長合分波回路として動作する。

図３５（ａ）において、アレイ導波路４１０３のｉ番目の導波路の長さＬ_ｉは、Ｌ_ｉ＝Ｌ_１＋（ｉ−１）・ΔＬと表され、アレイ導波路４１０３は、導波路長が一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。これに応じて、各アレイ導波路に入力する光波が、第１のスラブ導波路４１０２において溝４１０６によって分断される長さの和Ｌ_ｉ’は、Ｌ_ｉ’＝Ｌ_１’＋（ｉ−ｌ）・ΔＬ’と表され、ΔＬに比例した量ΔＬ’ずつ順次長くなるような形状をしている。このとき、ＡＷＧの第一の入出力導波路４１０１から第二の入出力導波路４１０５の中央の導波路への透過中心波長λ_ｃは、次式で表される。
（１） λ_ｃ＝｛ｎ_ａΔＬ−ｎ_ｓΔＬ’＋ｎ’ΔＬ’｝／Ｍ
ここで、ｎ_ａはアレイ導波路の実効屈折率、ｎ_ｓはスラブ導波路の実効屈折率、ｎ’は温度補償材料の屈折率であり、ＭはＡＷＧの回折次数である。また、｛ｎ_ａΔＬ−ｎ_ｓΔＬ’＋ｎ’ΔＬ’｝は、ＡＷＧにおける隣接する光経路の距離の差、すなわち光路長差を示している。このとき、ｎ’はｎ_ｓに近く、溝における光波の屈折角は十分小さいと仮定している。ここで、光路長とは、光波が感じる距離であり、材料の屈折率と物理的な経路距離の積で求められる。

アサーマルＡＷＧでは、アレイ導波路およびスラブ導波路の実効屈折率温度係数をα（α＝ｄｎ_ａ／ｄＴ＝ｄｎ_ｓ／ｄＴ、Ｔは温度）、温度補償材料の屈折率温度係数をα’（α’＝ｄｎ’／ｄＴ）として、ΔＬ’／（ΔＬ−ΔＬ’）＝−α／α’、すなわちΔＬ’＝ΔＬ／（１−α’／α）となるように設計されている。これにより、アレイ導波路およびスラブ導波路での光路長差の温度変化が、溝に充填された温度補償材料の光路長差の温度変化によって相殺され、透過中心波長の温度依存性が補償される。温度補償材料としては、導波路のαに対して前述の条件を満たすα’を有する材料であれば構わないが、特にα’がαと異符号であり、かつ｜α’｜が｜α｜に比較して十分大きいような材料が好ましい。これはΔＬ’を小さく設計することができ、溝による過剰損失を抑制できるからである。このような条件の材料としては、例えば光学樹脂であるシリコーン樹脂があり、α’はおよそ−３５×αである。また、光学樹脂は光部品材料として長期信頼性に優れるという点でも好ましい。

ＡＷＧの透過波長の温度依存性を低減する別の方法としては、ＡＷＧのチップを回路に沿って弧状に切断し、そのチップの両端を金属棒を接合してつなぎ、金属棒の熱伸縮によってＡＷＧチップを変形させて隣接するアレイ導波路の光路長差の温度変化を相殺する方法がある。その詳細については、非特許文献１に開示されている。

また、ＡＷＧの透過波長の温度依存性を低減する更に別の方法としては、ＡＷＧチップの入力側または出力側のスラブ導波路を分断し、分断したチップを金属板で接合して、金属板の熱伸縮によって分断したスラブ導波路の相対位置を変化させることにより、アレイ導波路の光路長差の温度変化を相殺する方法がある。

これら従来のＡＷＧにおいては、第一の入出力導波路の第一のスラブ導波路との接続界面に励起されている光電界と、第二の入出力導波路の第二のスラブ導波路との接続界面に励起される光電界のパワーオーバーラップ積分が透過スペクトルとなる。通常、これらの光電界は基底モードのみが励起されており、透過スペクトル波形はガウス関数形状となる。しかし、第一の入出力導波路の第一のスラブ導波路への接続部分、あるいは第二の入出力導波路の第二のスラブ導波路４１０４への接続部分にパラボラテーパ導波路を設けることで、透過波形を平坦化し帯域を拡大する方法が開発されている。その詳細については、特許文献３に開示されている。

国際公開特許ＷＯ９８／３６２９９号明細書 特許第３４９８６５０号公報 特許第３１１２２４６号公報 特開２００３−１４９４７４号公報 J.B.D. Soole, et, al., "Athermalisation of silica arrayed waveguide grating multiplexers," ELECTRONICS LETTERS, Vol.39, pp.1182-1184, 2003. J. Leuthold, et, al., "Multimode Interference Couplers for the Conversion and Combining of Zero- and First-Order Modes," JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.16, pp.1228-1238, 1998. I. Zhang, et, al., "Planar waveguide-based silica-polymer hybrid variable optical attenuator and its associated polymers," APPLIED OPTICS, Vol.44, pp.2402-2408, 2005.

上記のようにアサーマル化したＡＷＧであっても、透過中心波長の温度依存性を完全に補償できるわけではない。これは、石英ガラス導波路や温度補償材料の実効屈折率温度係数、あるいは金属の熱膨張係数には、１次のみならず２次の成分が存在し、１次と２次の成分比は、一般には材料によって異なるためである。石英ガラス導波路の場合、α＝α_１＋α_２Ｔ、α_１＝１．０×１０^−５、α_２＝１．９×１０^−８程度（Ｔの単位は℃）である。シリコーン樹脂の場合、α’＝α’_１＋α’_２Ｔ、α’_１＝−３．５×１０^−４、α’_２＝１．５×１０^−７程度である。従来のアサーマルＡＷＧにおいては、使用温度範囲の中央の温度において、この１次の温度依存性が補償されるよう設計がなされている。２次の係数は１次の係数に比べて微小ではあるが、使用温度範囲全体では僅かな温度依存性が在留する。

ここで、図３５（ａ）のアサーマルＡＷＧを例として説明する。導波路の比屈折率差（Δ）１．５％、コア厚４．５μｍ、第一の入出力導波路４１０１、アレイ導波路４１０３、第二入出力導波路４１０５のコア幅は４．５μｍであり、波長チャネル数３２、チャネル波長間隔０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）、温度補償材料はシリコーン樹脂とする。このとき、アレイ導波路の本数は１３０本、ΔＬは４２．４μｍである。

溝４１０６に充填された温度補償材料によって与えられるべき経路長差ΔＬ’は、ΔＬ’＝ΔＬ／（１−α’／α）＝ΔＬ／（１−（α’_１＋α’_２Ｔ）／（α_１＋α_２Ｔ））となる。ここで、使用温度範囲はＴ＝−４０〜８０℃であるとし、中央のＴ＝２０℃での条件を考えると、ΔＬ’＝１．１８μｍとなる。

図３６に、このアサーマルＡＷＧの中央波長チャネルにおける、透過中心波長の相対的な温度依存性を示す。図からわかるように、Ｔ＝２０℃を最小として、２次関数的な微小波長変動が残留している。使用温度範囲Ｔ＝−４０〜８０℃においては、この波長変動幅は０．０７ｎｍとなり、波長チャネル間隔の９％にも達する。

このように、従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいては、透過中心波長の温度依存性が僅かながら残留していた。このため、透過中心波長の精度を求められる狭波長チャネル間隔、あるいは使用温度範囲の広い光波長合分波回路においては、場合によっては伝送システムの要求性能を満足できないという問題があった。

本発明は、かかる問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、アサーマルＡＷＧにおいて残留する透過中心波長の温度変化を補償した光波長合分波回路を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、第１のスラブ導波路と、アレイ導波路と、第２のスラブ導波路とを備え、透過中心波長の主要な温度依存性が補償されたアレイ導波路回折格子であって、第１の入出力導波路と、前記第１の入出力導波路に接続された光スプリッタと、前記光スプリッタに接続された第１および第２のアーム導波路と、前記第１および第２のアーム導波路に接続された光モード合成カプラであって、前記第１のアーム導波路からの基本モード光を基本モードに結合させ、前記第２のアーム導波路からの基本モード光を１次モードに結合させる光モード合成カプラと、前記第１および第２のアーム導波路間の光路長差が温度によって変化する機構であって、前記アレイ導波路回折光子の残留する温度依存性を補償するように構成された機構とを備え、前記機構は、前記第１および第２のアーム導波路の少なくとも一方に形成され、温度補償材料を充填した溝であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、第１のスラブ導波路と、アレイ導波路と、第２のスラブ導波路とを備え、透過中心波長の主要な温度依存性が補償されたアレイ導波路回折格子であって、第１の入出力導波路と、前記第１の入出力導波路に接続された光スプリッタと、前記光スプリッタに接続された第１および第２のアーム導波路と、前記第１および第２のアーム導波路に接続された光モード合成カプラであって、前記第１のアーム導波路からの基本モード光を基本モードに結合させ、前記第２のアーム導波路からの基本モード光を１次モードに結合させる光モード合成カプラと、前記第１および第２のアーム導波路間の光路長差が温度によって変化する機構であって、前記アレイ導波路回折光子の残留する温度依存性を補償するように構成された機構とを備え、前記機構は、前記第１および第２のアーム導波路の少なくとも一方の導波路近傍に形成され、温度補償材料を充填した溝であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のアレイ導波路回折格子であって、前記光モード合成カプラに接続されたマルチモード導波路であって、少なくとも基本および１次モード光が伝播可能であり、前記第１のスラブ導波路に接続されたマルチモード導波路をさらに備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載のアレイ導波路回折格子であって、前記光モード合成カプラに接続されたマルチモード導波路であって、少なくとも基本および１次モード光が伝播可能であり、前記第１のスラブ導波路に接続されたマルチモード導波路をさらに備えたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載のアレイ導波路回折格子であって、前記溝は、複数の溝から構成されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、前記導波路は、石英系ガラスから構成され、前記温度補償材料は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂およびフッ素樹脂の少なくとも１つからなる光学樹脂であることを特徴とする。

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請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、前記マルチモード導波路は、テーパ導波路を介して前記第１のスラブ導波路に接続されていることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、前記マルチモード導波路は、パラボラ形状のテーパ導波路を介して前記第１のスラブ導波路に接続されていることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、前記第２のスラブ導波路に接続された第２の入出力導波路をさらに備え、前記第２の入出力導波路は、パラボラ形状のテーパ導波路を介して第２のスラブ導波路に接続されていることを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項１から９のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、前記光スプリッタは、波長無依存カプラとして構成されていることを特徴とする。

請求項１１に記載の発明は、請求項１から１０のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、前記光スプリッタは、前記第１のアーム導波路への光強度分岐比が５０％より小さく、前記溝は、前記第１のアーム導波路にのみ形成されていることを特徴とする。

また、請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載のアレイ導波路回折格子であって、前記光スプリッタは、前記第１のアーム導波路への光強度分岐比が２０％より小さいことを特徴とする。

請求項１３に記載の発明は、第１のスラブ導波路と、アレイ導波路と、第２のスラブ導波路とを備え、透過中心波長の主要な温度依存性が補償されたアレイ導波路回折格子であって、第１の入出力導波路と、前記第１の入出力導波路に接続された光スプリッタと、前記光スプリッタに接続された第１および第２のアーム導波路と、前記第１および第２のアーム導波路に接続された光モード合成カプラであって、前記第１のアーム導波路からの基本モード光を基本モードに結合させ、前記第２のアーム導波路からの基本モード光を１次モードに結合させる光モード合成カプラと、前記第１および第２のアーム導波路間の光路長差が温度によって変化する機構であって、前記アレイ導波路回折光子の残留する温度依存性を補償するように構成された機構とを備え、前記光モード合成カプラは、幅の異なる２本の導波路から構成された方向性結合器であることを特徴とする。

また、請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載のアレイ導波路回折格子であって、前記方向性結合器は、幅の狭い方の導波路の幅が徐々に減少していることを特徴とする。

また、請求項１５に記載の発明は、請求項１３に記載のアレイ導波路回折格子であって、前記方向性結合器は、幅の狭い方の導波路を終端する溝であって、光を減衰させる遮光材料が充填された溝を備えたことを特徴とする。

また、請求項１６に記載の発明は、請求項１から１２のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、前記光モード合成カプラは、縦列に連結された２つのマルチモード干渉回路から構成されていることを特徴とする。

また、請求項１７に記載の発明は、請求項１から１６のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、前記アレイ導波路回折格子は、前記第１のスラブ導波路、前記アレイ導波路および前記第２のスラブ導波路の少なくとも１つに形成され、温度補償材料を充填した溝によって前記透過中心波長の主要な温度依存性が補償されていることを特徴とする。

また、請求項１８に記載の発明は、請求項１７に記載のアレイ導波路回折格子であって、前記温度補償材料は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂およびフッ素樹脂の少なくとも１つからなる光学樹脂であることを特徴とする。

また、請求項１９に記載の発明は、請求項１から１６のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、前記アレイ導波路回折格子は、その形状を金属板の熱伸縮によって変形させることによって前記透過中心波長の主要な温度依存性が補償されていることを特徴とする。

また、請求項２０に記載の発明は、請求項１から１６のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、前記アレイ導波路回折格子は、前記第１のスラブ導波路または前記第２のスラブ導波路を分断し、その相対位置を金属板の熱伸縮によって変化させることによって前記透過中心波長の主要な温度依存性が補償されていることを特徴とする。

本発明によれば、アサーマルＡＷＧタイプの光波長合分波回路において、残留する透過中心波長の高次の温度依存性を補償することができる。そのため、全使用温度範囲において透過中心波長精度に優れた波長合分波回路を実現することができる。また、透過中心波長精度に対して使用可能温度範囲が広い光波長合分波回路を得ることができる。

従来のアサーマルＡＷＧにおいては、通常、第一の入出力導波路には基底モード光のみが伝播し、第一のスラブ導波路の接続部に励起される光フィールドの光強度ピーク位置は、温度によっても波長によっても変化しない。ここで、上述の光フィールドに、特定の強度比で１次モード光が混在している場合、基底モード光と１次モード光の位相差により、光フィールドの光強度ピーク位置は振動し、またその振動振幅は、両モード光の強度比によって変化する。

一方、第一の入出力導波路と第一のスラブ導波路との接続部における光フィールドの光強度ピーク位置の変動は、ＡＷＧにおいて透過中心波長の変動となる。したがって、第一の入出力導波路において、適当な機構により、所定の強度比の１次モード光を励起し、この１次モード光と基底モード光の位相差を、波長によっては変化させず、温度によって変化させることができれば、透過中心波長を温度によって変動させることができる。本発明では、この変動を用いてアサーマルＡＷＧの高次の温度依存性を補償する。

以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる光波長合分波回路の構成概念を説明するための図である。このＡＷＧ１００は、第一の入出力導波路１０１と、第一のスラブ導波路１０２と、アレイ導波路１０３と、第二のスラブ導波路１０４と、第二の入出力導波路１０５とを備えている。第一のスラブ導波路１０２から第二の入出力導波路１０５におよぶ構成は、従来技術によるアサーマルＡＷＧと同様であり、従来の温度補償手段（図示せず）により、透過中心波長の１次の温度依存性が補償されているものとする。このＡＷＧ１００は、第１の入出力導波路１０１と第一のスラブ導波路１０２との間に、光スプリッタ１０６と、第一のアーム導波路１０７と、第二のアーム導波路１０８と、光モード合成カプラ１０９と、マルチモード導波路１１０とをさらに備えている。

図２は、図１における光スプリッタ１０６からマルチモード導波路１１０までの部分を拡大した図である。参照符号は図１と同様である。光モードカプラ１０９は、第一のアーム導波路１０７から入力する基底モード光を１次モード光に変換し、第二のアーム導波路１０８から入力する基底モード光を基底モード光として合成する。合成される基底モード光と１次モード光の光強度比は、光スプリッタ１０６における分岐比と、光モード合成カプラの結合率によって決まり、位相差は、第一のアーム導波路１０７と第二のアーム導波路１０８の光路長差によって決まる。合成された基底モード光と１次モード光は、マルチモード導波路１１０を、それぞれのモードの実効屈折率に従って伝播するので、合成光フィールドは蛇行しながら伝播し、第一のスラブ導波路との接続部に達する。

本発明の実施形態において、光波長合分波回路の使用温度ＴをＴ_Ｃ−ΔＴからＴ_Ｃ＋ΔＴの範囲とする。Ｔ_Ｃは使用温度範囲の中央温度であり、温度範囲の全幅は２ΔＴである。また、第二のアーム導波路１０８に対する第一のアーム導波路１０７の光路長差をｓ（Ｔ）とする。本発明の波長合分波回路においては、適当な機構により、ｓ（Ｔ）に温度変化を与える。

図３は、温度Ｔに対するｓ（Ｔ）の温度変化の例を示している。図に示すように、ｓ（Ｔ）は、使用温度範囲において、ｓ（Ｔ_Ｃ）＋０．５λ_Ｃからｓ（Ｔ_Ｃ）−０．５λ_Ｃに至る直線的な変化を与えられている。ここで、λ_Ｃは、式（１）におけるＡＷＧの透過中心波長である。マルチモード導波路１１０の長さは、温度Ｔ＝Ｔ_Ｃにおいて、蛇行しながら伝播する光フィールドの光強度ピークが、第一のスラブ導波路１０２との接続点において光波の進行方向に向かって最も右側になるよう設定されている。温度Ｔ＝Ｔ_Ｃにおけるこの光フィールドの光強度ピークの軌跡を図２の曲線Ｐとして示し、第一のスラブ導波路１０２への入射位置を点Ｑとして示している。

温度がＴ_Ｃから変化すると、光路長差ｓ（Ｔ）は図３のように変化し、Ｔ＝Ｔ_Ｃ−ΔＴおよびＴ_Ｃ＋ΔＴにおいて、それぞれｓ（Ｔ_Ｃ）＋０．５λ_Ｃおよびｓ（Ｔ_Ｃ）−０．５λ_Ｃにまで変化する。このとき、光モードカプラ１０９において合成される基底モード光と１次モード光の位相差は、Ｔ＝Ｔ_Ｃのときに比べて１８０度変動している。よって、マルチモード導波路１１０を蛇行しながら伝播する光フィールドの光強度ピークの軌跡は、図２上の線Ｒに示すように、Ｔ＝Ｔ_Ｃのときとは逆相となり、第一のスラブ導波路１０２との接続点においては、光波の進行方向に向かって最も左側にピークが位置することになる。これは、図２の点Ｓとして示されている。

このように、第一のスラブ導波路１０２に入射する光フィールドの温度変化に伴う光強度ピークの変動は、ＡＷＧにおいては透過中心波長の変動となる。上述の変動の場合、Ｔ＝Ｔ_Ｃ、すなわちピークが点Ｑにあるときに透過中心波長は最も長波長となり、Ｔ＝Ｔ_Ｃ−ΔＴおよびＴ_Ｃ＋ΔＴ、すなわちピークが点Ｓにあるときに短波長となる。

図４は、このＡＷＧにおける透過中心波長の温度変動を、温度を横軸として表した図である。線Ｘは、図２および３で説明した光フィールドのピーク位置変動による透過中心波長変動を示しており、その挙動は正弦関数的である。また、線Ｙは、従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいて僅かに残留する透過中心波長の高次の温度依存性を示している。これらにおいては、温度Ｔ＝Ｔ_Ｃでの値をゼロとした相対的な透過中心波長を示している。

本発明の光波長合分波回路において、ＡＷＧ回路全体の透過中心波長の温度依存性は、上述の２種類の温度依存性を足し合わせたものとなる。合成された透過中心波長の温度依存性については線Ｚとして示している。図より、本発明の波長合分波回路においては、従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいて残留していた透過中心波長の高次の温度依存性が補償され、使用温度範囲での透過中心波長変動が小さくなっていることが分かる。

ここで、光フィールドの光強度ピーク位置変動による透過波長変動の幅（振幅）δλは、光モード合成カプラ１０９において生成される１次モード光の、基底モード光との強度比によって決まる。よって、光スプリッタ１０６の分岐比および光モード合成カプラ１０９の結合率を調整して、このδλを、従来技術によるアサーマルＡＷＧにおける透過中心波長の高次の温度変動の幅に等しくなるようにすれば、本発明の波長合分波回路における透過中心波長の温度依存性を最も抑制することができる。

マルチモード導波路１１０の幅としては、少なくとも１次モード光までは伝播可能であるほど広く、２次モード光は伝播できない、すなわち２次モードの実効屈折率が存在しない程度の幅であることが好ましい。これは、２次以上の高次モード光の発生が、本発明の波長合分波回路において、透過波形を歪ませ、クロストークの劣化や損失の増大を招く可能性があるからである。ここで、マルチモード導波路１１０は、実施上、必ずしも配置する必要はない。図５に示すように、光モード合成カプラ１０９を第１のスラブ導波路１０２に直接接続した構成であってもかまわない。しかしながら、マルチモード導波路１１０を配置することで、２次以上の高次モード光を抑制し、第１のスラブ導波路１０２に入射することを防ぐことができ、よりクロストークあるいは損失特性に優れた、光波長合分波回路を実現することができる。

また、光フィールドの光強度ピーク位置変動の波長依存性を考慮すれば、ｓ（Ｔ_Ｃ）をゼロ付近に設計することが好ましい。使用温度範囲において光路長差ｓ（Ｔ）を小さく抑えることで、波長によるｓ（Ｔ）の変化が温度によるそれに比較して十分小さくなり、ほぼ波長無依存となるからである。より具体的には、ｓ（Ｔ_Ｃ）の絶対値を１０×λ_Ｃ以下にすれば、波長１５２０〜１６３０ｎｍ程度の通信波長領域での光路長差変化は、その温度変化に対して無視できる程度となり、本発明の波長合分波回路は、合分波する全ての波長チャネルにおいて、全てほぼ同様に動作することとなる。
本発明の光波長合分波回路の構成は、特許文献４に記載のアレイ導波路型波長合分波器に類似しているが、特許文献４に記載のアレイ導波路型波長合分波器は、ＡＷＧの第１のスラブ導波路に入射するフィールドの位置が、ＡＷＧのチャネル波長間隔と同一の繰り返し波長周期で変位する、という点で本発明の光波長合分波回路とは異なっている。本発明において、ＡＷＧの第１のスラブ導波路に入射するフィールドの位置は、ある温度において、波長に対して殆ど変位しないことが求められる。すなわち、光スプリッタと、２本のアーム導波路と、光モード合成カプラからなる干渉回路は、波長に対して光路長差が殆ど変化しないことが必須である。本発明の光波長合分波回路において、使用波長領域程度での波長変化によって、第１のスラブ導波路に入射するフィールドの位置が変位するような場合、光路長差の温度依存性は波長によって異なる特性を示すので、すべての使用波長において、残留するＡＷＧの波長依存性を補償するようなフィールドの位置変位を実現することは不可能である。よって、特許文献４に記載のアレイ導波路型波長合分波器の構成は、本発明の課題の解決を阻害するものである。

（第１の実施形態）
図６に、本発明の第１の実施形態によるアサーマルＡＷＧの構成例を示す。このアサーマルＡＷＧ５００は、第一の入出力導波路５０１と、第一のスラブ導波路５０２と、アレイ導波路５０３と、第二のスラブ導波路５０４と、第二の入出力導波路５０５とを備えている。また、アサーマルＡＷＧ５００は、第一の入出力導波路５０１と第一のスラブ導波路５０２との間に、光スプリッタ５０６と、第一のアーム導波路５０７と、第二のアーム導波路５０８と、光モード合成カプラ５０９と、マルチモード導波路５１０とをさらに備えている。第二のスラブ導波路５０４には溝５１２が形成され、溝５１２には温度補償材料が充填されている。

図６において、アレイ導波路５０３のｉ番目の導波路の長さＬ_ｉは、Ｌ_ｉ＝Ｌ_ｌ＋（ｉ−１）・ΔＬと表され、一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。これに応じて、各アレイ導波路を通過し、中央の波長チャネルを通過する光波が、第二のスラブ導波路５０４において溝５１２によって分断される長さＬ_ｉ’はＬ_ｉ’＝Ｌ_ｌ’＋（ｉ−１）ΔＬ’と表され、ΔＬに比例した量ΔＬ’ずつ順次長くなるような形状をしている。このアサーマルＡＷＧは、導波路のΔが１．５％、コア厚４．５μｍ、実効屈折率温度係数α＝１．０×１０^−５＋１．９×１０^−８×Ｔである。また、第一の入出力導波路５０１、アレイ導波路５０３、第二の入出力導波路５０５、第一のアーム導波路５０７、第二のアーム導波路５０８のコア幅は４．５μｍである。波長チャネル数３２、中央の波長チャネルの透過波長１５４４．５３μｍ（１９４．１ＴＨｚ）、波長チャネル間隔０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）、温度補償材料はシリコーン樹脂（屈折率温度係数α’＝−３．５×１０^−４＋１．５×１０^−７×Ｔ）である。このとき、アレイ導波路の本数は１３０本、ΔＬは４２．４μｍである。

溝５１２に充填された温度補償材料によって与えられる経路長差ΔＬ’は、Ｔ＝２０℃として、ΔＬ’＝ΔＬ／（１−α’／α）＝１．１８μｍと設計されており、透過中心波長の１次の温度依存性が補償されている。また、第一のスラブ導波路５０２、第二のスラブ導波路５０４の長さは６１００μｍであり、第二の入出力導波路５０５は、第二のスラブ導波路５０４に接続する部分において１５μｍ間隔で波長チャネル数、すなわち３２本配置されている。

図７は、図６のアサーマルＡＷＧにおける光スプリッタ５０６からマルチモード導波路５１０までの部分を拡大した図である。参照符号は図６と同様である。ただし、本実施形態において、マルチモード導波路５１０は、直線テーパ導波路５１１を介して第一のスラブ導波路５０２に接続されている。マルチモード導波路５１０の導波路幅は８μｍであり、直線テーパ導波路５１１の導波路幅は、第一のスラブ導波路５０２に接続する部分で１１．５μｍである。ただし、この直線テーパ導波路の開口幅を変えることで、この光波長合分波回路の透過帯域幅を調整することも可能である。

光スプリッタ５０６としては方向性結合器を用いている。また、光モード合成カプラ５０９としては導波路幅が非対称な方向性結合器を用いており、第一のアーム導波路５０７に接続する導波路５０９ａの幅を２．５μｍ、第二のアーム導波路５０８に接続する導波路５０９ｂの幅を８μｍとし、導波路５０９ａ、５０９ｂの長さは５００μｍとしている。また、第二のアーム導波路５０８から導波路５０９ｂへは直線テーパにより滑らかに導波路幅が変換されている。

このとき、導波路５０９ａの基底モード実効屈折率と、導波路５０９ｂの１次モード実効屈折率はほぼ等しくなっており、第一のアーム導波路５０７から導波路５０９ａに入力する基底モード光は、導波路５０９ｂの１次モードに結合する。また、第二のアーム導波路５０８から入力する基底モード光は、そのまま導波路５０９ｂを基底モードで伝播するので、マルチモード導波路５１０へは基底モードと１次モードが合成されて出力される。基底モード光と１次モード光の位相差は、第二のアーム導波路５０８に対する第一のアーム導波路５０７の光路長差によって決まる。

上記の光路長差に温度依存性を与える機構として、第一のアーム導波路５０７の途中には、溝５１４が形成されており、温度補償材料であるシリコーン樹脂が充填されている。この構成による機構は、従来のアサーマルＡＷＧから工程を何ら変えることなく、また新規の材料を付加することなく作製できるという点で優れている。溝５１４が第一のアーム導波路５０７を分断している長さは３５μｍである。基底モード光と１次モード光の光強度比は、光スプリッタ５０６における分岐比と、光モード合成カプラ５０９の、導波路５０９ａから５０９ｂへの結合率によって決まるが、本実施例ではそれぞれ７％、７０％に設計されている。溝５１４においては光の損失が生じるため、アサーマルＡＷＧ回路全体の損失特性を考慮すれば、光スプリッタ５０６における第一のアーム導波路５０７への分岐比を大きくとも５０％とすることが好ましく、さらには必要な光フィールドのピーク位置変動を生じさせ得る範囲でなるべく小さくすることが好ましい。また、光モード合成カプラ５０９において基底モードから１次モードに変換されない光は損失となるため、光モード合成カプラ５０９の結合率をなるべく大きくすることが好ましい。同時に、基底モード光に対する１次モード光の比率があまり大きいと、光フィールドにおいてはピーク位置変動と伴にフィールド波形の変形が生じるため、ＡＷＧの透過波形に変動が生じる恐れがある。この意味においては基底モード光に対する１次モード光の比率は１／４程度以下であることが好ましく、よって光スプリッタ５０６における第一のアーム導波路５０７への分岐比は、大きくとも２０％とすることが好ましい。

図８（ａ）は、本実施形態における、第二のアーム導波路５０８に対する第一のアーム導波路５０７の光路長差の温度変化を示したグラフである。ここで、光波長合分波回路の使用温度範囲は−４０〜８０℃としている。この使用温度範囲において、光路長差は＋０．７７μｍから−０．７７μｍまでほぼ直線的に変化している。これにより、光モード合成カプラ５０９で生成される、基底モード光と１次モード光の位相差は２π変化する。

図８（ｂ）は、図８（ａ）の光路長差変化がある場合の、直線テーパ５１１の第一のスラブ導波路５０２との接続部分における光フィールド分布の温度変化を示したグラフである。グラフの横軸ｐは、図７に示したように、直線テーパ５１１の中心を原点とした相対位置である。図８（ｂ）には、温度−４０、２０、８０℃での光フィールド分布が示されている。使用温度範囲において、基底モード光と１次モード光の位相差変化に伴い、光波フィールドのピーク位置がおよそ−０．６μｍから＋０．６μｍに変化し、更に−０．６μｍまで変化する様子が確認できる。

図９は、本実施形態の光波長合分波回路における透過中心波長の温度変動を説明するグラフである。線Ｘは、直線テーパ５１１の第一のスラブ導波路５０２との接続部分における光フィールドのピーク位置の変動による透過中心波長の変動を示している。また、線Ｙは、第一のスラブ導波路５０２から第二の入出力導波路５０５に至る、１次の温度依存性が補償されたＡＷＧにおいて残留している透過中心波長の高次の温度依存性を示している。この光波長合分波回路において、ＡＷＧ回路全体の透過中心波長の温度依存性は、上述の２種類の温度依存性を足し合わせたものとなる。合成された透過中心波長の温度依存性については線Ｚとして示している。図より、本実施形態の波長合分波回路においては、従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいて−４０〜８０℃の範囲で０．０７２ｎｍ残留していた透過中心波長の高次の温度変動が補償され、その変動量が０．０２５ｎｍまで低減されることが分かる。

本実施形態の光波長合分波回路は、従来技術によるアサーマルＡＷＧに比較して、透過中心波長の温度変動が小さいことが図９に示された。しかし、図９においては透過中心波長の温度依存性は完全に補償されていない。これは、従来技術によるアサーマルＡＷＧにおける透過中心波長の高次の温度依存性が２次関数的（線Ｙ）であるのに対し、それを相殺しようとする、光フィールドのピーク位置変動による透過中心波長の温度変動が正弦関数的（線Ｘ）であり、両曲線に差異があるためである。この曲線の差異に起因する補償の不完全性をなるべく減らす方法について以下に説明する。

この方法は、補償に用いる正弦関数的な温度変動において、一周期（位相２π）の変動全体を用いるのではなく、その一部のみを用いる。これにより、補償に用いる温度変動曲線は補償されるべき２次関数曲線により近くなり、補償の精度が向上する。ただし、温度変動の振幅は設計により調整する必要がある。

具体的に図１０および図１１を参照して説明する。この方法においては、温度変動の振幅を調整するために、マルチモード導波路５１０を伝播する基底モードに対する１次モードの光強度比をやや大きくする。ここでは光スプリッタ５０６における結合率を約１．５倍の１１％とする。また、溝５１４が第一のアーム導波路５０７を分断する長さは約２／３の２３μｍにする。

図１０は、この方法における第二のアーム導波路５０８に対する第一のアーム導波路５０７の光路長差の温度変化を示したグラフである。光波長合分波回路の使用温度範囲は、図８の例と同様−４０〜８０℃としている。この使用温度範囲において、光路長差は＋０．５０μｍから−０．５０μｍまで変化する。これにより、光モード合成カプラ５０９で生成される、基底モード光と１次モード光の位相差は１．３π変化することになる。これは図８の場合の約２／３の位相変化量である。

図１１は、図１０の光路長差が与えられた場合の、透過中心波長の温度変動を説明するグラフである。図９と同様に、線Ｘは、光フィールドのピーク位置変動による透過中心波長の温度変動を示している。また、線Ｙは、１次の温度依存性が補償されたＡＷＧにおいて残留している透過中心波長の高次の温度依存性を示している。図から、図９の場合に比較して、線Ｘの曲線が線Ｙの曲線に相似であることが分かる。ＡＷＧ回路全体の透過中心波長の温度依存性は線Ｚとして示されている。この波長合分波回路においては、−４０〜８０℃の範囲で透過中心波長の温度変動量は０．０１１ｎｍであり、従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいて残留していた透過中心波長の高次の温度変動が、ほぼ完全に補償されていることが分かる。

本実施形態においては、図７のように、第一のアーム導波路５０７を分断するように溝５１４を形成し温度補償材料を充填したが、溝の形状と配置はこの構成に限定されない。

図１２（ａ）は、別の構成における第一のアーム導波路５０７および第二のアーム導波路５０８近傍を拡大した図である。図１２（ａ）の構成において、溝５１４は４つに分割され、第一のアーム導波路５０７の途中に形成されている。このとき、分割された溝が第一のアーム導波路５０７を分断する長さの総和が所定の値となるよう設定されている。また、隣接する溝の端面から端面までの間隔は１５μｍに設定されている。図１２（ａ）の構成により、図７の構成に比較して、溝５１４における光波の放射損失を低減することができるため、より損失特性に優れた光波長合分波回路が実現可能である。

図１２（ｂ）は、更に別構成における第一のアーム導波路５０７および第二のアーム導波路５０８近傍を拡大した図である。図１２（ｂ）の構成において、溝５１４は第一のアーム導波路５０７および第二のアーム導波路５０８の両方の途中に形成されており、それぞれ４つに分割されている。このとき、分割された溝が第一のアーム導波路５０７を分断する長さの総和と、第二のアーム導波路５０８を分断する長さの総和の差分が、所定の値になるよう設定されている。また、各溝の端面から端面までの間隔は１５μｍに設定されている。図１２（ｂ）の構成により、図７または図１２（ａ）の構成に比較して、溝５１４の溝幅に作製誤差が生じた場合においても、第一のアーム導波路５０７と第二のアーム導波路５０８の光路長差への影響が少なくなるため、より作製トレランスに優れた光波長合分波回路が実現可能である。

図１３（ａ）は、更に別構成における、第一のアーム導波路５０７および第二のアーム導波路５０８近傍を拡大した平面図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の線分Ｂ−Ｂ’部分の断面図である。図１３（ａ）および（ｂ）に示す構造の導波路は、非特許文献３において開示されている。図に示すように、シリコン基板５２０に導波路５０７の導波路コア５２１およびクラッド５２２が形成されている。図１３（ａ）および（ｂ）の構成において、溝５１４は第一のアーム導波路５０７のコア両側面に一部接するように形成されており、温度補償材料であるシリコーン樹脂が挿入されている。このとき、溝５１４がコア側面に接している長さは、１３００μｍに設定されている。図１３（ａ）および（ｂ）の構成によって、図７の構成と同様、第一のアーム導波路５０７と第二のアーム導波路５０８の光路長差の温度変化を発生させることが可能であり、また、図７や図１２の構成に比較して、溝５１４の影響で発生する損失を抑制することができるため、より損失特性に優れた光波長合分波回路が実現可能である。

図１３（ｃ）は、更に別構成における、第一のアーム導波路５０７および第二のアーム導波路５０８近傍を拡大した平面図であり、図１３（ｄ）は、図１３（ｃ）の線分Ｃ−Ｃ’部分の断面図である。参照符号は、図１３（ａ）および（ｂ）と同様である。図１３（ｃ）および（ｄ）の構成において、溝５１４は第一のアーム導波路５０７のコア上面に一部接するように形成されており、温度補償材料であるシリコーン樹脂が挿入されている。このとき、溝５１４がコア上面に接している長さは、３０００μｍに設定されている。図１３（ｃ）および（ｄ）の構成によっても、図７の構成と同様、第一のアーム導波路５０７と第二のアーム導波路５０８の光路長差の温度変化を発生させることが可能であり、また、図７や図１２の構成に比較して、溝５１４の影響で発生する損失を抑制することができるため、より損失特性に優れた光波長合分波回路が実現可能である。

また、本実施例においては、図７のように、光モード合成カプラ５０９として、非対称な方向性結合器を適用したが、光モード合成カプラ５０９の実現はこの構成に限定されない。

図１４は、別構成における、光モード合成カプラ５０９近傍を拡大した図である。図１４の構成においては、図７と同様に非対称な方向性結合器ではあるが、導波路５０９ａに接続する出力導波路は、溝５１５によって終端されている。溝５１５には光波を吸収するような遮光材料が挿入されており、また、遮光材料と出力導波路の界面は導波路に垂直ではなく、垂直面から８度傾いている。図１４の構成により、図７の構成に比較して、導波路５０９ａから導波路５０９ｂに結合せずに僅かに残る光波を遮断して第一のスラブ導波路５０２などに迷光が侵入することを抑制し、また、光波の反射も抑制することができる。そのため、クロストーク特性および反射特性のより優れた光波長合分波回路が実現可能である。

図１５は、更に別構成における、光モード合成カプラ５０９近傍を拡大した図である。図１５の構成においては、図７と同様に非対称な方向性結合器ではあるが、導波路５０９ａはその幅が徐々に狭くなり、幅が無くなって終端する構造になっている。このとき、導波路５０９ａ、５０９ｂの長さは、１５００μｍに設計されている。図１５の構成により、導波路５０９ａから導波路５０９ｂへの光波の結合率をほぼ１００％にすることができるため、図７の構成に比較して、より損失特性に優れた光波長合分波回路が実現可能である。

図１６は、更に別構成における、光モード合成カプラ５０９近傍を拡大した図である。図１６の構成においては、光モード合成カプラ５０９は２つのマルチモード干渉回路（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）からなる。この構成については詳しくは、非特許文献２に記載されている。この光モード合成カプラ５０９は、第一のＭＭＩ５１５ａと、第二のＭＭＩ５１５ｂと、中間導波路５１６ａ、５１６ｂおよび５１６ｃとを備えている。第一のＭＭＩ５１５ａは幅２０μｍ、長さ７５４μｍ、第二のＭＭＩ５１５ｂは幅２０μｍ、長さ３７７μｍ、中間導波路５１６ａは幅４．５μｍ、長さ５０μｍ、中間導波路５１６ｂは幅４．５μｍ、長さ５１．５μｍ、中間導波路５１６ｃは幅４．５μｍ、長さ５３μｍである。一般に、ＭＭＩは方向性結合器に比較して、導波路幅の変化に対する分岐特性の変化が小さい。従って、図１６の構成により、図７の構成に比較して、導波路の幅に作製誤差が生じた場合においても、アーム導波路５０７から入力した基底モード光がマルチモード導波路５１０の一次モードに結合する結合率が影響されないため、より作製トレランスに優れた光波長合分波回路が実現可能である。

また、本実施形態においては、図７のように、光スプリッタ５０６として、単一の方向性結合器を適用したが、光スプリッタ５０６の実現はこの構成に限定されない。例えばＹ分岐回路やＭＭＩによっても実現可能である。また、更に好ましくは、光スプリッタ５０６は波長無依存カプラ（ＷＩＮＣ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ＩＮｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｒ）により実現される。

図１７は、ＷＩＮＣによって構成された光スプリッタ５０６近傍を拡大した図である。光スプリッタ５０６は、２つの方向性結合器５１７ａおよび５１７ｂと、２つのアーム導波路５１８ａおよび５１８ｂとを備えている。方向性結合器５１７ａ、５１７ｂの結合率はそれぞれ８６％、９７％、アーム導波路５１８ｂに対する５１８ａの光路長差は０．４５μｍであり、ＷＩＮＣは分岐比１１％の光スプリッタとして機能している。ＷＩＮＣを用いる図１７の構成により、単一の方向性結合器を用いる図７の構成に比較して、分岐比の波長依存性が小さいため、より広い波長範囲で動作する光波長合分波回路が実現可能である。

（第２の実施形態）
図１８に、本発明の第２の実施形態によるアサーマルＡＷＧの構成例を示す。このアサーマルＡＷＧ１７００は、第一の入出力導波路１７０１と、第一のスラブ導波路１７０２と、アレイ導波路１７０３と、第二のスラブ導波路１７０４と、第二の入出力導波路１７０５とを備えている。また、アサーマルＡＷＧ１７００は、第一の入出力導波路１７０１と第一のスラブ導波路１７０２との間に、光スプリッタ１７０６と、第一のアーム導波路１７０７と、第二のアーム導波路１７０８と、光モード合成カプラ１７０９と、マルチモード導波路１７１０とをさらに備えている。本実施形態によるアサーマルＡＷＧのチップは、ＡＷＧの回路に沿って弧状に切断されており、その両端が金属棒１７１２により接合されている。なお、金属棒１７１２の材質は本実施形態においてはアルミである。

図１８において、アレイ導波路１７０３は、一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。このアサーマルＡＷＧは、導波路のΔが１．５％、コア厚４．５μｍ、実効屈折率温度係数α＝１．０×１０^−５＋１．９×１０^−８×Ｔである。また、第一の入出力導波路１７０１、アレイ導波路１７０３、第二の入出力導波路１７０５、第一のアーム導波路１７０７、第二のアーム導波路１７０８のコア幅は４．５μｍであり、波長チャネル数３２、中央の波長チャネルの透過波長１５４４．５３μｍ（１９４．１ＴＨｚ）、波長チャネル間隔０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）である。このとき、アレイ導波路の本数は１３０本、ΔＬは４２．４μｍである。また、第一のスラブ導波路１７０２、第二のスラブ導波路１７０４の長さは６１００μｍであり、第二の入出力導波路１７０５は、第二のスラブ導波路１７０４に接続する部分において１５μｍ間隔で波長チャネル数、すなわち３２本配置されている。

金属棒１７１２は、材質の熱膨張係数に従い温度によって伸縮する。このとき、接合されたＡＷＧチップも形状が変化するが、高温では伸張する金属棒によってΔＬが小さくなるように変形し、低温では収縮する金属棒によってΔＬが大きくなるように変形する。よって、金属棒の長さを適切に設定することによって、隣接するアレイ導波路の光路長差（導波路の実効屈折率とΔＬの積）における温度変動を抑制し、透過中心波長の１次の温度依存性が補償されている。

図１９は、図１８のアサーマルＡＷＧにおける光スプリッタ１７０６からマルチモード導波路１７１０までの部分を拡大した図である。参照符号は図１８と同様である。ただし、本実施形態において、マルチモード導波路１７１０は、直線テーパ導波路１７１１を介して第一のスラブ導波路１７０２に接続されている。マルチモード導波路１７１０の導波路幅は８μｍであり、直線テーパ導波路１７１１の導波路幅は、第一のスラブ導波路１７０２に接続する部分で１１．５μｍである。

光スプリッタ１７０６としてはＷＩＮＣを用いており、方向性結合器１７１３ａおよび１７１３ｂと、アーム導波路１７１４ａおよび１７１４ｂとから構成されている。ここで、方向性結合器１７１３ａ、１７１３ｂの結合率はそれぞれ８５％、９５％、アーム導波路１７１４ｂに対する１７１４ａの光路長差は０．４６μｍであり、ＷＩＮＣは分岐比１０％の光スプリッタとして機能している。

光モード合成カプラ１７０９としては導波路幅が非対称な方向性結合器を用いており、第一のアーム導波路１７０７に接続する導波路１７０９ａの幅を２．５μｍ、第二のアーム導波路１７０８に接続する導波路１７０９ｂの幅を８μｍとし、導波路１７０９ａ、１７０９ｂの長さは５００μｍとしている。また、第二のアーム導波路１７０８から導波路１７０９ｂへは直線テーパにより滑らかに導波路幅が変換されている。光モード合成カプラ１７０９の、導波路１７０９ａから１７０９ｂへの結合率は、７０％に設計されている。

導波路１７０９ａに接続する出力導波路は、溝１７１５によって終端されており、溝１７１５には光波を吸収するような遮光材料が挿入されている。また、遮光材料と出力導波路の界面は導波路に垂直ではなく、垂直面から８度傾いている。

第一のアーム導波路１７０７の途中には、溝１７１６が形成されており、温度補償材料であるシリコーン樹脂（屈折率温度係数α’＝−３．５×１０^−４＋１．５×１０^−７×Ｔ）が充填されている。溝１７１６は４つに分割され、分割された溝が第一のアーム導波路１７０７を分断する長さの総和が２３μｍになるよう設定されており、隣接する溝の端面から端面までの間隔は１５μｍに設定されている。

本実施形態における、第二のアーム導波路１７０８に対する第一のアーム導波路１７０７の光路長差の温度変化は、図１０と同様となる。ここで、光波長合分波回路の使用温度範囲は−４０〜８０℃としている。この使用温度範囲において、光路長差は＋０．５０μｍから−０．５０μｍまで変化する。これにより、光モード合成カプラ１７０９で生成される、基底モード光と１次モード光の位相差は１．３π変化することになる。この位相変化に伴い、直線テーパ１７１１と第一のスラブ導波路１７０２の接続部において、図８（ｂ）と同様な光フィールドの温度変化が生じる。

図２０は、本実施形態のアサーマルＡＷＧにおける、透過中心波長の温度変動を説明するグラフである。線Ｘは、光フィールドのピーク位置変動による透過中心波長の温度変動を示している。また、線Ｙは、金属棒１７１２の熱伸縮によって１次の温度依存性が補償されたＡＷＧにおいて残留している透過中心波長の高次の温度依存性を示している。ＡＷＧ回路全体の透過中心波長の温度依存性は線Ｚとして示されている。この波長合分波回路においては、−４０〜８０℃の範囲で透過中心波長の温度変動量は０．００８ｎｍであり、従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいて残留していた透過中心波長の高次の温度変動が、ほぼ完全に補償されていることが分かる。

（第３の実施形態）
図２１は、本発明の第３の実施形態によるアサーマルＡＷＧの構成例を示す。このアサーマルＡＷＧ２０００は、第一入出力導波路２００１と、第一のスラブ導波路２００２と、アレイ導波路２００３と、第二のスラブ導波路２００４と、第二の入出力導波路２００５とを備えている。また、アサーマルＡＷＧ２０００は、第一の入出力導波路２００１と第一のスラブ導波路２００２との間に、光スプリッタ２００６と、第一のアーム導波路２００７と、第二のアーム導波路２００８と、光モード合成カプラ２００９と、マルチモード導波路２０１０とをさらに備えている。本実施形態によるアサーマルＡＷＧは、第一のスラブ導波路２００２を分断するように２つのチップに切断されており、この２つのチップが金属板２０１２により接合されている。なお、金属の材質は本実施形態においてはアルミである。

図２１において、アレイ導波路２００３は、一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。このアサーマルＡＷＧは、導波路のΔが１．５％、コア厚４．５μｍ、実効屈折率温度係数α＝１．０×１０^−５＋１．９×１０^−８×Ｔである。また、第一の入出力導波路２００１、アレイ導波路２００３、第二の入出力導波路２００５、第一のアーム導波路２００７、第二のアーム導波路２００８のコア幅は４．５μｍであり、波長チャネル数３２、中央の波長チャネルの透過波長１５４４．５３ｎｍ（１９４．１ＴＨｚ）、波長チャネル間隔０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）である。このとき、アレイ導波路の本数は１３０本、ΔＬは４２．４μｍである。また、第一のスラブ導波路２００２、第二のスラブ導波路２００４の長さは６１００μｍであり、第二の入出力導波路２００５は、第二のスラブ導波路２００４に接続する部分において１５μｍ間隔で波長チャネル数、すなわち３２本配置されている。

金属板２０１２は、材質の熱膨張係数に従い温度によって伸縮する。このとき、接合された２つのチップの相対位置が変化するが、アレイ導波路２００３側のチップを基準として第一の入出力導波路２００１側のチップは、高温では伸張する金属板２０１２によって図面上方に移動し、低温では収縮する金属板２０１２によって図面下方に移動する。よって、金属板の長さを適切に設定することによって、アレイ導波路２００３における光路長差の温度変動を補償するように、この第一の入出力導波路２００１側のチップの位置変化を生じさせることが可能であり、この構造によって、ＡＷＧにおける透過中心波長の１次の温度依存性が補償されている。

図２２は、図２１のアサーマルＡＷＧにおける光スプリッタ２００６からマルチモード導波路２０１０までの部分を拡大した図である。参照符号は図２１と同様である。ただし、本実施形態において、マルチモード導波路２０１０は、直線テーパ導波路２０１１を介して第一のスラブ導波路２００２に接続されている。マルチモード導波路２０１０の導波路幅は８μｍであり、直線テーパ導波路２０１１の導波路幅は、第一のスラブ導波路２００２に接続する部分で１１．５μｍである。

光スプリッタ２００６としてはＷＩＮＣを用いており、方向性結合器２０１３ａおよび２０１３ｂと、アーム導波路２０１４ａおよび２０１４ｂとから構成されている。ここで、方向性結合器２０１３ａ、２０１３ｂの結合率はそれぞれ８５％、９５％、アーム導波路２０１４ｂに対する２０１４ａの光路長差は０．４６μｍであり、ＷＩＮＣは分岐比１０％の光スプリッタとして機能している。

光モード合成カプラ２００９としては導波路幅が非対称な方向性結合器を用いており、第一のアーム導波路２００７に接続する導波路２００９ａの幅を２．５μｍ、第二のアーム導波路２００８に接続する導波路２００９ｂの幅を８μｍとし、導波路２００９ａ、２００９ｂの長さは５００μｍとしている。また、第二のアーム導波路２００８から導波路２００９ｂへは直線テーパにより滑らかに導波路幅が変換されている。光モード合成カプラ２００９の、導波路２００９ａから２００９ｂへの結合率は、７０％に設計されている。

導波路２００９ａに接続する出力導波路は、溝２０１５によって終端されており、溝２０１５には光波を吸収するような遮光材料が挿入されている。また、遮光材料と出力導波路の界面は導波路に垂直ではなく、垂直面から８度傾いている。

第一のアーム導波路２００７の途中には、溝２０１６が形成されており、温度補償材料であるシリコーン樹脂（屈折率温度係数α’＝−３．５×１０^−４＋１．５×１０^−７×Ｔ）が充填されている。溝２０１６は４つに分割され、分割された溝が第一のアーム導波路２００７を分断する長さの総和が２３μｍになるよう設定されており、隣接する溝の端面から端面までの間隔は１５μｍに設定されている。

本実施形態における、第二のアーム導波路２００８に対する第一のアーム導波路２００７の光路長差の温度変化は、図１０と同様となる。ここで、光波長合分波回路の使用温度範囲は−４０〜８０℃としている。この使用温度範囲において、光路長差は＋０．５０μｍから−０．５０μｍまで変化する。これにより、光モード合成カプラ２００９で生成される、基底モード光と１次モード光の位相差は１．３π変化することになる。この位相変化に伴い、直線テーパ２０１１と第一のスラブ導波路２００２の接続部において、図８（ｂ）と同様な光フィールドの温度変化が生じる。

図２３は、本実施形態のアサーマルＡＷＧにおける、透過中心波長の温度変動を説明するグラフである。線Ｘは、光フィールドのピーク位置変動による透過中心波長の温度変動を示している。また、線Ｙは、金属棒２０１２の熱伸縮によって１次の温度依存性が補償されたＡＷＧにおいて残留している透過中心波長の高次の温度依存性を示している。ＡＷＧ回路全体の透過中心波長の温度依存性は線Ｚとして示されている。この波長合分波回路においては、−４０〜８０℃の範囲で透過中心波長の温度変動量は０．００８ｎｍであり、従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいて残留していた透過中心波長の高次の温度変動が、ほぼ完全に補償されていることが分かる。

（第４の実施形態）
図２４は、本発明の第４の実施形態によるアサーマルＡＷＧの構成例を示す。このアサーマルＡＷＧ２３００は、第一入出力導波路２３０１と、第一のスラブ導波路２３０２と、アレイ導波路２３０３と、第二のスラブ導波路２３０４と、第二の入出力導波路２３０５とを備えている。また、アサーマルＡＷＧ２３００は、第一の入出力導波路２３０１と第一のスラブ導波路２３０２との間に、光スプリッタ２３０６と、第一のアーム導波路２３０７と、第二のアーム導波路２３０８と、光モード合成カプラ２３０９と、マルチモード導波路２３１０とをさらに備えている。第二のスラブ導波路２３０４には溝２３１２が形成され、溝２３１２には温度補償材料が充填されている。

アレイ導波路２３０３の長さは、一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。これに応じて、各アレイ導波路を通過し、中央の波長チャネルを通過する光波が、第二のスラブ導波路２３０４において溝２３１２によって分断される長さは、ΔＬに比例した量ΔＬ’ずつ順次長くなるような形状をしている。このアサーマルＡＷＧは、導波路のΔが１．５％、コア厚４．５μｍ、実効屈折率温度係数α＝１．０×１０^−５＋１．９×１０^−８×Ｔである。また、第一の入出力導波路２３０１、アレイ導波路２３０３、第二の入出力導波路２３０５、第一のアーム導波路２３０７、第二のアーム導波路２３０８のコア幅は４．５μｍである。波長チャネル数３２、中央の波長チャネルの透過波長１５４４．５３ｎｍ（１９４．１ＴＨｚ）、波長チャネル間隔０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）、温度補償材料はシリコーン樹脂（屈折率温度係数α’＝−３．５×１０^−４＋１．５×１０^−７×Ｔ）である。このとき、アレイ導波路の本数は１５０本、ΔＬは４２．４μｍである。

溝２３１２に充填された温度補償材料によって与えられる経路長差ΔＬ’は、Ｔ＝２０℃として、ΔＬ’＝ΔＬ／（１−α’／α）＝１．１８μｍと設計されており、透過中心波長の１次の温度依存性が補償されている。また、第一のスラブ導波路２３０２、第二のスラブ導波路２３０４の長さは７３００μｍであり、第二の入出力導波路２３０５は、第二のスラブ導波路２３０４に接続する部分において１８μｍ間隔で波長チャネル数、すなわち３２本配置されている。

図２５は、図２４のアサーマルＡＷＧにおける光スプリッタ２３０６からマルチモード導波路２３１０までの部分を拡大した図である。参照符号は図２４と同様である。ただし、本実施形態において、マルチモード導波路２３１０は、パラボラ形状のテーパ導波路２３１１を介して第一のスラブ導波路２３０２に接続されている。マルチモード導波路２３１０の導波路幅は８μｍであり、パラボラ形状テーパ導波路２３１１の導波路幅は、第一のスラブ導波路２３０２に接続する部分で１６μｍである。

光スプリッタ２３０６としてはＷＩＮＣを用いており、方向性結合器２３１３ａおよび２３１３ｂと、アーム導波路２３１４ａおよび２３１４ｂとから構成されている。ここで、方向性結合器２３１３ａ、２３１３ｂの結合率はそれぞれ９０％、９４％、アーム導波路２３１４ｂに対する２３１４ａの光路長差は０．４９μｍであり、ＷＩＮＣは分岐比４％の光スプリッタとして機能している。

光モード合成カプラ２３０９としては導波路幅が非対称な方向性結合器を用いており、第一のアーム導波路２３０７に接続する導波路２３０９ａの幅を２．５μｍ、第二のアーム導波路２３０８に接続する導波路２３０９ｂの幅を８μｍとし、導波路２３０９ａ、２３０９ｂの長さは５００μｍとしている。また、第二のアーム導波路２３０８から導波路２３０９ｂへは直線テーパにより滑らかに導波路幅が変換されている。光モード合成カプラ２３０９の、導波路２３０９ａから２３０９ｂへの結合率は、７０％に設計されている。

導波路２３０９ａに接続する出力導波路は、溝２３１５によって終端されており、溝２３１５には光波を吸収するような遮光材料が挿入されている。また、遮光材料と出力導波路の界面は導波路に垂直ではなく、垂直面から８度傾いている。

第一のアーム導波路２３０７の途中には、溝２３１６が形成されており、温度補償材料であるシリコーン樹脂（屈折率温度係数α’＝−３．５×１０^−４＋１．５×１０^−７×Ｔ）が充填されている。溝２３１６は４つに分割され、分割された溝が第一のアーム導波路２３０７を分断する長さの総和が２３μｍになるよう設定されており、隣接する溝の端面から端面までの間隔は１５μｍに設定されている。

本実施形態における、第二のアーム導波路２３０８に対する第一のアーム導波路２３０７の光路長差の温度変化は、図８（ａ）と同様となる。ここで、光波長合分波回路の使用温度範囲は−４０〜８０℃としている。この使用温度範囲において、光路長差は＋０．７７μｍから−０．７７μｍまで変化する。これにより、光モード合成カプラ２３０９で生成される、基底モード光と１次モード光の位相差は２π変化することになる。

図２６は、図８（ａ）と同様の光路長差変化がある場合の、パラボラテーパ導波路２３１１の第一のスラブ導波路２３０２との接続部分における光フィールド分布の温度変化を示したグラフである。グラフの横軸ｐは、図２５に示したように、パラボラテーパ導波路２３１１の中心を原点とした相対位置である。図２６には、温度−４０、２０、８０℃での光フィールド分布が示されている。

マルチモード導波路２３１０からパラボラテーパ導波路２３１１に入力した基底モード光の一部は、２次モード光に変換され、パラボラテーパ導波路２３１１の終端では双峰状のフィールドとなる。このとき、基底モード光と２次モード光のパワー比と位相差は、パラボラテーパ導波路２３１１の形状によって決まり、その温度変化は殆ど無い。一方、マルチモード導波路２３１０からパラボラテーパ導波路２３１１に入力した１次モード光は、そのまま１次モードとしてパラボラテーパ導波路２３１１の終端に達する。この１次モード光の影響により、パラボラテーパ導波路２３１１の終端での双峰状のフィールドは、非対称なフィールドとなり、その非対称性は、基底および２次モード光と、１次モード光との位相差によって決まる。図２６によれば、使用温度範囲において、基底および２次モード光と１次モード光の位相差変化に伴い、光波フィールド非対称性が変化し、光パワーの重心位置がおよそ−０．４μｍから＋０．４μｍに変化し更に−０．４μｍまで変化している。

図２７（ａ）は、本実施形態のアサーマルＡＷＧにおける透過中心波長の温度変動を説明するグラフである。線Ｘは、光フィールドの重心変動による透過中心波長の温度変動を示している。また、線Ｙは、第一のスラブ導波路２３０２から第二の入出力導波路２３０５に至る、１次の温度依存性が補償されたＡＷＧにおいて残留している透過中心波長の高次の温度依存性を示している。ＡＷＧ回路全体の透過中心波長の温度依存性は線Ｚとして示している。

図２７（ｂ）は、本実施形態のアサーマルＡＷＧにおける、温度−４０、２０、８０℃での透過波形を示したグラフである。パラボラテーパ導波路２３１１において双峰状のフィールドが励起されることで、透過帯域の広い波形が実現される。図より、透過波形の非対称性が変化しながら、透過中心波長の温度変動が抑制されている様子が確認できる。

図２７（ａ）および２６（ｂ）から、本実施形態の波長合分波回路においては、−４０〜８０℃の範囲で透過中心波長の温度変動量は０．０４ｎｍに抑制されており、透過帯域が広く、かつ従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいて残留していた透過中心波長の高次の温度変動が補償されていることが分かる。

（第５の実施形態）
図２８は、本発明の第５の実施形態によるアサーマルＡＷＧの構成例を示す。このアサーマルＡＷＧ２７００は、第一の入出力導波路２７０１と、第一のスラブ導波路２７０２と、アレイ導波路２７０３と、第二のスラブ導波路２７０４と、第二の入出力導波路２７０５とを備えている。また、アサーマルＡＷＧ２７００は、第一の入出力導波路２７０１と第一のスラブ導波路２７０２との間に、光スプリッタ２７０６と、第一のアーム導波路２７０７と、第二のアーム導波路２７０８と、光モード合成カプラ２７０９と、マルチモード導波路２７１０とをさらに備えている。第二のスラブ導波路２７０４には溝２７１２が形成され、溝２７１２には温度補償材料が充填されている。

アレイ導波路２７０３の長さは、一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。これに応じて、各アレイ導波路を通過し、中央の波長チャネルを通過する光波が、第二のスラブ導波路２７０４において溝２７１２によって分断される長さは、ΔＬに比例した量ΔＬ’ずつ順次長くなるような形状をしている。このアサーマルＡＷＧは、導波路のΔが１．５％、コア厚４．５μｍ、実効屈折率温度係数α＝１．０×１０^−５＋１．９×１０^−８×Ｔである。また、第一の入出力導波路２７０１、アレイ導波路２７０３、第二の入出力導波路２７０５、第一のアーム導波路２７０７、第二のアーム導波路２７０８のコア幅は４．５μｍである。波長チャネル数３２、中央の波長チャネルの透過波長１５４４．５３ｎｍ（１９４．１ＴＨｚ）、波長チャネル間隔０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）、温度補償材料はシリコーン樹脂（屈折率温度係数α’＝−３．５×１０^−４＋１．５×１０^−７×Ｔ）である。このとき、アレイ導波路の本数は１５０本、ΔＬは４２．４μｍである。

溝２７１２に充填された温度補償材料によって与えられる経路長差ΔＬ’は、Ｔ＝２０℃として、ΔＬ’＝ΔＬ／（１−α’／α）＝１．１８μｍと設計されており、透過中心波長の１次の温度依存性が補償されている。また、第一のスラブ導波路２７０２、第二のスラブ導波路２７０４の長さは７３００μｍであり、第二の入出力導波路２７０５は、第二のスラブ導波路２７０４に接続する部分において１８μｍ間隔で波長チャネル数、すなわち３２本配置されている。

図２９は、図２８のアサーマルＡＷＧにおける光スプリッタ２７０６からマルチモード導波路２７１０までの部分を拡大した図である。参照符号は図２８と同様である。ただし、本実施形態において、マルチモード導波路２７１０は、直線テーパ導波路２７１１を介して第一のスラブ導波路２７０２に接続されている。マルチモード導波路２７１０の導波路幅は８μｍであり、直線テーパ導波路２7１１の導波路幅は、第一のスラブ導波路２７０２に接続する部分で１０μｍである。

光スプリッタ２７０６としてはＷＩＮＣを用いており、方向性結合器２７１３ａおよび２７１３ｂと、アーム導波路２７１４ａおよび２７１４ｂとから構成されている。ここで、方向性結合器２７１３ａ、２７１３ｂの結合率はそれぞれ８６％、９７％、アーム導波路２７１４ｂに対する２７１４ａの光路長差は０．４５μｍであり、ＷＩＮＣは分岐比１１％の光スプリッタとして機能している。

光モード合成カプラ２７０９としては導波路幅が非対称な方向性結合器を用いており、第一のアーム導波路２７０７に接続する導波路２７０９ａの幅を２．５μｍ、第二のアーム導波路２７０８に接続する導波路２７０９ｂの幅を８μｍとし、導波路２７０９ａ、２７０９ｂの長さは５００μｍとしている。また、第二のアーム導波路２７０８から導波路２７０９ｂへは直線テーパにより滑らかに導波路幅が変換されている。光モード合成カプラ２７０９の、導波路２７０９ａから２７０９ｂへの結合率は、７０％に設計されている。

導波路２７０９ａに接続する出力導波路は、溝２７１５によって終端されており、溝２７１５には光波を吸収するような遮光材料が挿入されている。また、遮光材料と出力導波路の界面は導波路に垂直ではなく、垂直面から８度傾いている。

第一のアーム導波路２７０７の途中には、溝２７１６が形成されており、温度補償材料であるシリコーン樹脂（屈折率温度係数α’＝−３．５×１０^−４＋１．５×１０^−７×Ｔ）が充填されている。溝２７１６は４つに分割され、分割された溝が第一のアーム導波路２７０７を分断する長さの総和が２３μｍになるよう設定されており、隣接する溝の端面から端面までの間隔は１５μｍに設定されている。

図３０は、図２８のアサーマルＡＷＧにおける、第二のスラブ導波路２７０４と第二の入出力導波路２７０５の接続部近傍を拡大した図である。参照符号は図２８と同様である。ただし、本実施形態において第二の入出力導波路２７０５は全て、パラボラ形状のテーパ導波路２７１７を介して第二のスラブ導波路２７０４に接続されている。パラボラテーパ導波路２７１７の導波路幅は、第二のスラブ導波路２７０４に接続する部分で１６μｍである。

パラボラテーパ導波路２７１７の終端では、基底モード光の一部は、２次モード光に変換され、双峰状のフィールドとなる。このとき、基底モード光と２次モード光のパワー比と位相差は、パラボラテーパ導波路２７１７の形状によって決まり、その温度変化は殆ど無い。また、パラボラテーパ導波路２７１７の形状が中心軸に対して対称であるので、一次モード光は励起されない。

本実施形態における、第二のアーム導波路２７０８に対する第一のアーム導波路２７０７の光路長差の温度変化は、図１０と同様となる。ここで、光波長合分波回路の使用温度範囲は−４０〜８０℃としている。この使用温度範囲において、光路長差は＋０．５０μｍから−０．５０μｍまで変化する。これにより、光モード合成カプラ２７０９で生成される、基底モード光と１次モード光の位相差は１．３π変化することになる。この位相変化に伴い、直線テーパ２７１１と第一のスラブ導波路２７０２の接続部において、図８（ｂ）と同様な光フィールドの温度変化が生じる。

図３１（ａ）は、本実施形態のアサーマルＡＷＧにおける透過中心波長の温度変動を説明するグラフである。線Ｘは、直線テーパ２７１１終端での光フィールドのピーク位置変動による透過中心波長の温度変動を示している。また、線Ｙは、第一のスラブ導波路２７０２から第二の入出力導波路２７０５に至る、１次の温度依存性が補償されたＡＷＧにおいて残留している透過中心波長の高次の温度依存性を示している。ＡＷＧ回路全体の透過中心波長の温度依存性は線Ｚとして示している。

図３１（ｂ）は、本実施形態のアサーマルＡＷＧにおける、温度−４０、２０、８０℃での透過波形を示したグラフである。パラボラテーパ導波路２７１７において双峰状のフィールドが励起されることで、透過帯域の広い波形が実現される。また、パラボラテーパ導波路２７１７において１次モード光は励起されないため、使用温度範囲で透過波形はほぼ対称性を保持しながらも、透過中心波長の温度変動が抑制されている。

図３１（ａ）および３１（ｂ）から、本実施形態の波長合分波回路においては、−４０〜８０℃の範囲で透過中心波長の温度変動量は０．０１１ｎｍに抑制されており、透過帯域が広く、透過波形の変動が殆ど無く、かつ従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいて残留していた透過中心波長の高次の温度変動が補償されていることが分かる。

（第６の実施形態）
図３２は、本発明の第６の実施形態によるアサーマルＡＷＧの構成例を示す。このアサーマルＡＷＧ３１００は、第一の入出力導波路３１０１と、第一のスラブ導波路３１０２と、アレイ導波路３１０３と、第二のスラブ導波路３１０４と、第二の入出力導波路３１０５とを備えている。また、アサーマルＡＷＧ３１００は、第一の入出力導波路３１０１と第一のスラブ導波路３１０２との間に、光スプリッタ３１０６と、第一のアーム導波路３１０７と、第二のアーム導波路３１０８と、光モード合成カプラ３１０９と、マルチモード導波路３１１０とをさらに備えている。第二のスラブ導波路３１０４には溝３１１２が形成され、溝３１１２には温度補償材料が充填されている。

アレイ導波路３１０３の長さは、一定量ΔＬずつ順次長くなるよう設計されている。これに応じて、各アレイ導波路を通過し、中央の波長チャネルを通過する光波が、第二のスラブ導波路３１０４において溝３１１２によって分断される長さは、ΔＬに比例した量ΔＬ’ずつ順次長くなるような形状をしている。このアサーマルＡＷＧは、導波路のΔが１．５％、コア厚４．５μｍ、実効屈折率温度係数α＝１．０×１０^−５＋１．９×１０^−８×Ｔである。また、第一の入出力導波路３１０１、アレイ導波路３１０３、第二の入出力導波路３１０５、第一のアーム導波路３１０７、第二のアーム導波路３１０８のコア幅は４．５μｍである。波長チャネル数３２、中央の波長チャネルの透過波長１５４４．５３ｎｍ（１９４．１ＴＨｚ）、波長チャネル間隔０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）、温度補償材料はシリコーン樹脂（屈折率温度係数α’＝−３．５×１０^−４＋１．５×１０^−７×Ｔ）である。このとき、アレイ導波路の本数は１５０本、ΔＬは４２．４μｍである。

溝３１１２に充填された温度補償材料によって与えられる経路長差ΔＬ’は、Ｔ＝２０℃として、ΔＬ’＝ΔＬ／（１−α’／α）＝１．１８μｍと設計されており、透過中心波長の１次の温度依存性が補償されている。また、第一のスラブ導波路３１０２、第二のスラブ導波路３１０４の長さは７３００μｍであり、マルチモード導波路３１１０から第二の入出力導波路３１０５に至る導波路は、波長チャネル数、すなわち３２本配置されており、マルチモード導波路３１１０は、第二のスラブ導波路３１０４に接続する部分において１８μｍ間隔で配置されている。

図３３は、図３２のアサーマルＡＷＧにおける、第一の入出力導波路３１０１と第一のスラブ導波路３１０２との接続部近傍を拡大した図である。参照符号は図３２と同様である。ただし、本実施形態において第一の入出力導波路３１０１は、パラボラ形状のテーパ導波路３１１７を介して第一のスラブ導波路３１０２に接続されている。パラボラテーパ導波路３１１７の導波路幅は、第一のスラブ導波路３１０２に接続する部分で１６μｍである。

パラボラテーパ導波路３１１７の終端では、基底モード光の一部は、２次モード光に変換され、双峰状のフィールドとなる。このとき、基底モード光と２次モード光のパワー比と位相差は、パラボラテーパ導波路３１１７の形状によって決まり、その温度変化は殆ど無い。また、パラボラテーパ導波路３１１７の形状が中心軸に対して対称であるので、一次モード光は励起されない。

図３４は、図３２のアサーマルＡＷＧにおける光スプリッタ３１０６からマルチモード導波路３１１０までの部分を拡大した図である。なお、この図では、簡略化のため、１チャネル分の構造のみを示しているが、実際にはこれと同じ構造の入出力導波路が並んでいる。参照符号は図３２と同様である。ここで、本実施形態おいて、マルチモード導波路３１１０は、直線テーパ導波路３１１１を介して第二のスラブ導波路３１０４に接続されている。マルチモード導波路３１１０の導波路幅は８μｍであり、直線テーパ導波路３１１１の導波路幅は、第二のスラブ導波路３１０４に接続する部分で１０μｍである。

光スプリッタ３１０６としてはＷＩＮＣを用いており、方向性結合器３１１３ａおよび３１１３ｂと、アーム導波路３１１４ａおよび３１１４ｂとから構成されている。ここで、方向性結合器３１１３ａ、３１１３ｂの結合率はそれぞれ８６％、９７％、アーム導波路３１１４ｂに対する３１１４ａの光路長差は０．４５μｍであり、ＷＩＮＣは分岐比１１％の光スプリッタとして機能している。

光モード合成カプラ３１０９としては導波路幅が非対称な方向性結合器を用いており、第一のアーム導波路３１０７に接続する導波路３１０９ａの幅を２．５μｍ、第二のアーム導波路３１０８に接続する導波路３１０９ｂの幅を８μｍとし、導波路３１０９ａ、３１０９ｂの長さは５００μｍとしている。また、第二のアーム導波路３１０８から導波路３１０９ｂへは直線テーパにより滑らかに導波路幅が変換されている。光モード合成カプラ３１０９の、導波路３１０９ａから３１０９ｂへの結合率は、７０％に設計されている。

導波路３１０９ａに接続する出力導波路は、溝３１１５によって終端されており、溝３１１５には光波を吸収するような遮光材料が挿入されている。また、遮光材料と出力導波路の界面は導波路に垂直ではなく、垂直面から８度傾いている。

第一のアーム導波路３１０７の途中には、溝３１１６が形成されており、温度補償材料であるシリコーン樹脂（屈折率温度係数α’＝−３．５×１０^−４＋１．５×１０^−７×Ｔ）が充填されている。溝３１１６は４つに分割され、分割された溝が第一のアーム導波路３１０７を分断する長さの総和が２３μｍになるよう設定されており、隣接する溝の端面から端面までの間隔は１５μｍに設定されている。

本実施形態における、各チャネルの第二のアーム導波路３１０８に対する第一のアーム導波路３１０７の光路長差の温度変化は、図１０と同様となる。ここで、光波長合分波回路の使用温度範囲は−４０〜８０℃としている。使用温度範囲において、光路長差は＋０．５０μｍから−０．５０μｍまで変化する。これにより、光モード合成カプラ３１０９で生成される、基底モード光と１次モード光の位相差は１．３π変化することになる。この位相変化に伴い、直線テーパ３１１１と第二のスラブ導波路３１０４の接続部において、図８（ｂ）と同様な光フィールドの温度変化が生じる。

本実施形態のアサーマルＡＷＧにおける透過中心波長の温度変動は、図３１（ａ）と同様である。本実施形態において、線Ｘは、直線テーパ３１１１終端での光フィールドのピーク位置変動による透過中心波長の温度変動を示している。また、線Ｙは、第一の入出力導波路３１０１から第二のスラブ導波路３１０４に至る、１次の温度依存性が補償されたＡＷＧにおいて残留している透過中心波長の高次の温度依存性を示している。線Ｚは、ＡＷＧ回路全体の透過中心波長の温度依存性を示している。

本実施形態のアサーマルＡＷＧにおける、温度−４０、２０、８０℃での透過波形を示したグラフは、また図３１（ｂ）と同様である。第５の実施形態と同様に、パラボラテーパ導波路３１１７において双峰状のフィールドが励起されることで、透過帯域の広い波形が実現される。また、パラボラテーパ導波路３１１７において１次モード光は励起されないため、使用温度領域で透過波形はほぼ対称性を保持しながらも、透過中心波長の温度変動が抑制されている。

以上より、本実施形態の波長合分波回路においては、−４０〜８０℃の範囲で透過中心波長の温度変動量は０．０１１ｎｍに抑制されており、透過帯域が広く、透過波形の変動が殆ど無く、かつ従来技術によるアサーマルＡＷＧにおいて残留していた透過中心波長の高次の温度変動が補償されていることが分かる。

以上６つの実施の形態から、本発明によるアサーマルＡＷＧタイプの光波長合分波回路では、従来技術のアサーマルＡＷＧにおいて残留していた透過中心波長の高次の温度変動が補償され、従来に比較して透過中心波長精度に優れた、光波長合分波回路を得ることができる。しかしながら、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施形態は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。ここに例示した実施形態は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および手順は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。

例えば、上述の実施形態では、導波路の比屈折率差、コア幅及びコア厚を特定の値に限定したが、本発明の適用範囲は、この値に限定されるものではない。

また、上述の実施形態では、ＡＷＧの設計パラメーターを特定の値に限定したが、本発明の適用範囲は、このパラメーターに限定されるものではない。

また、上述の実施形態では、使用温度範囲を特定の値に限定したが、本発明の適用範囲は、この値に限定されるものではない。

また、上述の実施形態では、分割する溝の個数を特定の値に限定したが、本発明の適用範囲は、この数に限定されるものではない。

また、上述の実施形態では、温度補償材料としてシリコーン樹脂を使用したが、本発明の適用範囲は、この材料に限定されるものではなく、導波路の実効屈折率温度係数と異なる屈折率温度係数を有するいかなる材料も適用することができる。例えば、シリコーン樹脂の他、エポキシ樹脂およびフッ素樹脂などの光学樹脂を使用することができる。

また、上述の実施形態では、第二のアーム導波路に対する第一のアーム導波路の光路長差に温度依存性を与える機構として、アーム導波路上またはその近傍に溝を形成し、温度補償材料を挿入する構成を適用したが、本発明の適用範囲はこの構成に限定されるものではなく、光路長差に所定の温度依存性を与えるいかなる構成も適用することができる。例えば、ＡＷＧを形成する導波路とは違う媒質で形成された導波路によってアーム導波路の一部を置換する等の構成も適用可能である。

また、第１、第４、第５および第６の実施形態では、一次の温度依存性を補償する構成として、第二のスラブ導波路に溝を形成し温度補償材料を挿入したが、本発明の適用範囲はこの位置に限定されるものではなく、溝は第一のスラブ導波路からアレイ導波路を経て第二のスラブ導波路に至る光経路上のいかなる位置に設置し、また異なる複数の位置に分散して設置しても、一次の温度依存性を補償することができる。

また、第４、第５および第６の実施形態では、第一あるいは第二の入出力導波路とスラブ導波路との接続部にパラボラテーパ導波路を適用したが、本発明の適用範囲はこの構成に限定されるものではなく、基底モード光の一部を２次モード光に変換するいかなるテーパ導波路、例えばＹ分岐導波路、楕円形状導波路、ＭＭＩ等を適用することができる。

本発明の実施形態にかかる光波長合分波回路の構成概念を説明するための図である。 図１における光スプリッタからマルチモード導波路の部分を拡大した図である。 図２に示すｓ（Ｔ）の温度変化の例を示す図である。 ＡＷＧにおける透過中心波長の温度変動を説明するための図である。 マルチモード導波路を使用しない構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態によるアサーマルＡＷＧの構成例を示す図である。 図６における光スプリッタからマルチモード導波路の部分を拡大した図である。 本発明の第１の実施形態における温度特性の補償を説明するための図であり、図８（ａ）は、第二のアーム導波路に対する第一のアーム導波路の光路長差の温度変化を示すグラフであり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の光路長差変化がある場合の、直線テーパの第一のスラブ導波路との接続部分における光フィールド分布の温度変化を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態における透過中心波長の温度変動を説明するための図である。 温度特性のさらなる補償を可能にするための、第二のアーム導波路に対する第一のアーム導波路の光路長差の温度変化を示すグラフである。 図１０の光路長差が与えられた場合の、透過中心波長の温度変動を説明するための図である。 第一のアーム導波路および第二のアーム導波路の他の構成例を示す図である。 第一のアーム導波路および第二のアーム導波路のさらに他の構成例を示す図である。 光モード合成カプラの他の構成例を示す図である。 光モード合成カプラのさらに他の構成例を示す図である。 光モード合成カプラのさらに他の構成例を示す図である。 ＷＩＮＣによって構成された光スプリッタを示す図である。 本発明の第２の実施形態によるアサーマルＡＷＧの構成例を示す図である。 図１８における光スプリッタからマルチモード導波路の部分を拡大した図である。 本発明の第２の実施形態における透過中心波長の温度変動を説明するための図である。 本発明の第３の実施形態によるアサーマルＡＷＧの構成例を示す図である。 図２１における光スプリッタからマルチモード導波路の部分を拡大した図である。 本発明の第３の実施形態における透過中心波長の温度変動を説明するための図である。 本発明の第４の実施形態によるアサーマルＡＷＧの構成例を示す図である。 図２４における光スプリッタからマルチモード導波路の部分を拡大した図である。 本発明の第４の実施形態における温度特性の補償を説明するための図であり、図８（ａ）と同様の光路長差変化がある場合の、パラボラテーパ導波路の第一のスラブ導波路との接続部分における光フィールド分布の温度変化を示したグラフである。 本発明の第４の実施形態における透過中心波長の温度変動と透過波形を説明するための図であり、図２７（ａ）は、透過中心波長の温度変動を示すグラフであり、図２７（ｂ）は、各温度での透過波形を示すグラフである。 本発明の第５の実施形態によるアサーマルＡＷＧの構成例を示す図である。 図２８における光スプリッタからマルチモード導波路の部分を拡大した図である。 図２８における第二のスラブ導波路と第二の入出力導波路の接続部を拡大した図である。 本発明の第５の実施形態における透過中心波長の温度変動と透過波形を説明するための図であり、図３１（ａ）は、透過中心波長の温度変動を示すグラフであり、図３１（ｂ）は、各温度での透過波形を示すグラフである。 本発明の第６の実施形態によるアサーマルＡＷＧの構成例を示す図である。 図３２における第一の入出力導波路と第一のスラブ導波路の接続部を拡大した図である。 図３２における光スプリッタからマルチモード導波路の部分を拡大した図である。 スラブ導波路に溝を形成するタイプのアサーマルＡＷＧの従来の構成例を示す図であり、図３５（ａ）は、平面図であり、図３５（ｂ）は、線分Ａ−Ａ’での断面図である。 図３５の従来のアサーマルＡＷＧの透過中心波長の温度依存性を示す図である。

符号の説明

１００，５００，１７００，２０００，２３００，２７００，３１００，４１００ アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）
１０１，５０１，１７０１，２００１，２３０１，２７０１，３１０１，４１０１ 第一の入出力導波路
１０２，５０２，１７０２，２００２，２３０２，２７０２，３１０２，４１０２ 第一のスラブ導波路
１０３，５０３，１７０３，２００３，２３０３，２７０３，３１０３，４１０３ アレイ導波路
１０４、５０４，１７０４，２００４，２３０４，２７０４，３１０４，４１０４ 第二のスラブ導波路
１０５，５０５，１７０５，２００５，２３０５，２７０５，３１０５，４１０５ 第二の入出力導波路
１０６，５０６，１７０６，２００６，２３０６，２７０６，３１０６ 光スプリッタ
１０７，５０７，１７０７，２００７，２３０７，２７０７，３１０７ 第一のアーム導波路
１０８，５０８，１７０８，２００８，２３０８，２７０８，３１０８ 第二のアーム導波路
１０９，５０９，１７０９，２００９，２３０９，２７０９，３１０９ 光モード合成カプラ
１１０，５１０，１７１０，２０１０，２３１０，２７１０，３１１０ マルチモード導波路
５０９ａ，５０９ｂ，１７０９ａ，１７０９ｂ，２００９ａ，２００９ｂ，２３０９ａ，２３０９ｂ，２７０９ａ，２７０９ｂ，３１０９ａ，３１０９ｂ 導波路
５１１，１７１１，２０１１，２７１１，３１１１ 直線テーパ導波路
５１４ 溝
５１５ 溝
５１５ａ，５１５ｂ マルチモード干渉回路
５１６ 中間導波路
５１７ 方向性結合器
５１８ アーム導波路
５２０ シリコン基板
５２１ コア
５２２ クラッド
１７１２，２０１２ 金属板
１７１３，２０１３，２３１３，２７１３，３１１３ 方向性結合器
１７１４，２０１４，２３１４，２７１４，３１１４ アーム導波路
１７１５，２０１５，２３１５，２７１５，３１１５ 溝
１７１６，２０１６，２３１６，２７１６，３１１６ 溝
２３１１ パラボラ形状のテーパ導波路
２３１２，２７１２，３１１２ 溝
２７１７，３１１７ パラボラ形状のテーパ導波路
４１０６ 溝
４１０７ シリコン基板
４１０８ コア
４１０９ クラッド

Claims (20)

1. 第１のスラブ導波路と、アレイ導波路と、第２のスラブ導波路とを備え、透過中心波長の主要な温度依存性が補償されたアレイ導波路回折格子であって、
   第１の入出力導波路と、
   前記第１の入出力導波路に接続された光スプリッタと、
   前記光スプリッタに接続された第１および第２のアーム導波路と、
   前記第１および第２のアーム導波路に接続された光モード合成カプラであって、前記第１のアーム導波路からの基本モード光を基本モードに結合させ、前記第２のアーム導波路からの基本モード光を１次モードに結合させる光モード合成カプラと、
   前記第１および第２のアーム導波路間の光路長差が温度によって変化する機構であって、前記アレイ導波路回折光子の残留する温度依存性を補償するように構成された機構と を備え、
   前記機構は、前記第１および第２のアーム導波路の少なくとも一方に形成され、温度補償材料を充填した溝である
   ことを特徴とするアレイ導波路回折格子。
2. 第１のスラブ導波路と、アレイ導波路と、第２のスラブ導波路とを備え、透過中心波長の主要な温度依存性が補償されたアレイ導波路回折格子であって、
   第１の入出力導波路と、
   前記第１の入出力導波路に接続された光スプリッタと、
   前記光スプリッタに接続された第１および第２のアーム導波路と、
   前記第１および第２のアーム導波路に接続された光モード合成カプラであって、前記第１のアーム導波路からの基本モード光を基本モードに結合させ、前記第２のアーム導波路からの基本モード光を１次モードに結合させる光モード合成カプラと、
   前記第１および第２のアーム導波路間の光路長差が温度によって変化する機構であって、前記アレイ導波路回折光子の残留する温度依存性を補償するように構成された機構と を備え、
   前記機構は、前記第１および第２のアーム導波路の少なくとも一方の導波路近傍に形成され、温度補償材料を充填した溝である
   ことを特徴とするアレイ導波路回折格子。
3. 請求項１に記載のアレイ導波路回折格子であって、
   前記光モード合成カプラに接続されたマルチモード導波路であって、少なくとも基本および１次モード光が伝播可能であり、前記第１のスラブ導波路に接続されたマルチモード導波路をさらに備えたことを特徴とするアレイ導波路回折格子。
4. 請求項２に記載のアレイ導波路回折格子であって、
   前記光モード合成カプラに接続されたマルチモード導波路であって、少なくとも基本および１次モード光が伝播可能であり、前記第１のスラブ導波路に接続されたマルチモード導波路をさらに備えたことを特徴とするアレイ導波路回折格子。
5. 請求項１に記載のアレイ導波路回折格子であって、
   前記溝は、複数の溝から構成されていることを特徴とするアレイ導波路回折格子。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、
   前記導波路は、石英系ガラスから構成され、
   前記温度補償材料は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂およびフッ素樹脂の少なくとも１つからなる光学樹脂であることを特徴とするアレイ導波路回折格子。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、
   前記マルチモード導波路は、テーパ導波路を介して前記第１のスラブ導波路に接続されていることを特徴とするアレイ導波路回折格子。
8. 請求項１から６のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、
   前記マルチモード導波路は、パラボラ形状のテーパ導波路を介して前記第１のスラブ導波路に接続されていることを特徴とするアレイ導波路回折格子。
9. 請求項１から８のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、
   前記第２のスラブ導波路に接続された第２の入出力導波路をさらに備え、
   前記第２の入出力導波路は、パラボラ形状のテーパ導波路を介して第２のスラブ導波路に接続されていることを特徴とするアレイ導波路回折格子。
10. 請求項１から９のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、
    前記光スプリッタは、波長無依存カプラとして構成されていることを特徴とするアレイ導波路回折格子。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、
    前記光スプリッタは、前記第１のアーム導波路への光強度分岐比が５０％より小さく、
    前記溝は、前記第１のアーム導波路にのみ形成されていることを特徴とするアレイ導波路回折格子。
12. 請求項１１に記載のアレイ導波路回折格子であって、
    前記光スプリッタは、前記第１のアーム導波路への光強度分岐比が２０％より小さいことを特徴とするアレイ導波路回折格子。
13. 第１のスラブ導波路と、アレイ導波路と、第２のスラブ導波路とを備え、透過中心波長の主要な温度依存性が補償されたアレイ導波路回折格子であって、
    第１の入出力導波路と、
    前記第１の入出力導波路に接続された光スプリッタと、
    前記光スプリッタに接続された第１および第２のアーム導波路と、
    前記第１および第２のアーム導波路に接続された光モード合成カプラであって、前記第１のアーム導波路からの基本モード光を基本モードに結合させ、前記第２のアーム導波路からの基本モード光を１次モードに結合させる光モード合成カプラと、
    前記第１および第２のアーム導波路間の光路長差が温度によって変化する機構であって、前記アレイ導波路回折光子の残留する温度依存性を補償するように構成された機構と
    を備え、
    前記光モード合成カプラは、幅の異なる２本の導波路から構成された方向性結合器であることを特徴とするアレイ導波路回折格子。
14. 請求項１３に記載のアレイ導波路回折格子であって、
    前記方向性結合器は、幅の狭い方の導波路の幅が徐々に減少していることを特徴とするアレイ導波路回折格子。
15. 請求項１３に記載のアレイ導波路回折格子であって、
    前記方向性結合器は、幅の狭い方の導波路を終端する溝であって、光を減衰させる遮光材料が充填された溝を備えたことを特徴とするアレイ導波路回折格子。
16. 請求項１から１２のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、
    前記光モード合成カプラは、縦列に連結された２つのマルチモード干渉回路から構成されていることを特徴とするアレイ導波路回折格子。
17. 請求項１から１６のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、
    前記アレイ導波路回折格子は、前記第１のスラブ導波路、前記アレイ導波路および前記第２のスラブ導波路の少なくとも１つに形成され、温度補償材料を充填した溝によって前記透過中心波長の主要な温度依存性が補償されていることを特徴とするアレイ導波路回折格子。
18. 請求項１７に記載のアレイ導波路回折格子であって、
    前記温度補償材料は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂およびフッ素樹脂の少なくとも１つからなる光学樹脂であることを特徴とするアレイ導波路回折格子。
19. 請求項１から１６のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、
    前記アレイ導波路回折格子は、その形状を金属板の熱伸縮によって変形させることによって前記透過中心波長の主要な温度依存性が補償されていることを特徴とするアレイ導波路回折格子。
20. 請求項１から１６のいずれかに記載のアレイ導波路回折格子であって、
    前記アレイ導波路回折格子は、前記第１のスラブ導波路または前記第２のスラブ導波路を分断し、その相対位置を金属板の熱伸縮によって変化させることによって前記透過中心波長の主要な温度依存性が補償されていることを特徴とするアレイ導波路回折格子。

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