JP2004191954A

JP2004191954A - Optical function element and optical module

Info

Publication number: JP2004191954A
Application number: JP2003392759A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Nagai; 秀一永井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-11-25
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2004-07-08

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical function element which attains optical integration and cost reduction. <P>SOLUTION: The optical function element 100 provided with two pieces of optical waveguides 10, 20 different in an equivalent index from each other, and a coupling part 5 for coupling the two pieces of optical waveguides 10, 20 along the optical axis direction. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光機能素子および光モジュールに関する。特に、光伝搬を制御する光機能素子（例えば、光アイソレータ、光サーキュレータ）、およびそれを含む光モジュールに関する。 The present invention relates to an optical function element and an optical module. In particular, the present invention relates to an optical function element (for example, an optical isolator, an optical circulator) for controlling light propagation, and an optical module including the same.

高速光通信システムでは、光部品や光機能素子等の端面から反射戻り光が生じることがある。この反射戻り光は、半導体レーザ等の光源の発振を不安定にして、特性悪化を招くので好ましくない。したがって、戻り光を遮断する光アイソレータは、半導体レーザや光増幅器等の光機能素子を用いるときには、欠かせない重要な素子となっている。 In a high-speed optical communication system, reflected return light may be generated from an end face of an optical component, an optical function element, or the like. This reflected return light makes the oscillation of a light source such as a semiconductor laser unstable and causes deterioration of characteristics, which is not preferable. Therefore, an optical isolator that blocks return light is an important element that is indispensable when using an optical functional element such as a semiconductor laser or an optical amplifier.

また、光の伝搬方向によって光を分離し取り出すことができる光サーキュレータも、双方向光通信等の光通信処理システムの構築には不可欠な素子である。光アイソレータ及び光サーキュレータは、光の伝搬方向で出力強度特性が異なるといった光非相反性を有する素子であり、様々な分野で使用されるため、重要な光機能素子であるといえる。 An optical circulator that can separate and extract light depending on the propagation direction of light is also an indispensable element for constructing an optical communication processing system such as bidirectional optical communication. Optical isolators and optical circulators are optically nonreciprocal elements having different output intensity characteristics in the direction of light propagation, and are used in various fields, and thus can be said to be important optical functional elements.

光アイソレータ及び光サーキュレータの機能の概略を、それぞれ、図９（ａ）および（ｂ）に示す。図９（ａ）に示すように、光アイソレータは、一方向からの光は透過させるが、その逆方向からの光は遮断する機能を有している。そして、図９（ｂ）に示すように、光サーキュレータは、一方向からの光は通過させるが、その逆方向からの光は遮断し、別の方向へ分離させる機能を有している。 FIGS. 9A and 9B schematically show the functions of the optical isolator and the optical circulator, respectively. As shown in FIG. 9A, the optical isolator has a function of transmitting light from one direction but blocking light from the opposite direction. Then, as shown in FIG. 9B, the optical circulator has a function of passing light from one direction but blocking light from the opposite direction and separating the light in another direction.

図９（ａ）で示した機能を有するバルク型光アイソレータの構成を、図１０に示す。 FIG. 10 shows a configuration of a bulk optical isolator having the function shown in FIG. 9A.

光非相反素子として一般的なバルク型光アイソレータは、磁化された磁性結晶２５によるファラデー効果を利用しており、磁性結晶２５と偏光素子２６とを組み合わせた構成によって、一方向の光（＋Ｚ方向の光）を通過させて逆方向の光（−Ｚ方向の光）を遮断することができる。つまり、磁性結晶２５（ファラデー回転子）に入射した光の偏波方向が、磁化方向により４５度回転するため、光入射方向によって出力特性が異なる光非相反性を示す。導波路型光アイソレータについても、同様な原理に基づいており、磁気光学効果を利用した磁性体材料と偏光子との組み合わせによって構成されている。 A general bulk-type optical isolator as an optical non-reciprocal element utilizes the Faraday effect of the magnetized magnetic crystal 25, and a combination of the magnetic crystal 25 and the polarizing element 26 allows light in one direction (+ Z direction). ) Can be passed and the light in the opposite direction (light in the −Z direction) can be blocked. That is, since the polarization direction of the light incident on the magnetic crystal 25 (Faraday rotator) is rotated by 45 degrees according to the magnetization direction, it exhibits optical nonreciprocity whose output characteristics differ depending on the light incident direction. The waveguide-type optical isolator is also based on the same principle, and is configured by a combination of a magnetic material using a magneto-optical effect and a polarizer.

次に、一心双方向光モジュールの構成を図１１に示す。図１１に示した光モジュールは、光ファイバ３６と、シリコン基板３７およびガラス基板３８とから構成されており、シリコン基板３７上にモニタ用フォトダイオード３２および半導体レーザ３３が載置され、ガラス基板３８上に受信用フォトダイオード３５が載置されてるとともに、ガラス基板３８に波長分離フィルタ３４が挿入されている。 Next, the configuration of the single-fiber bidirectional optical module is shown in FIG. The optical module shown in FIG. 11 includes an optical fiber 36, a silicon substrate 37, and a glass substrate 38. The monitor photodiode 32 and the semiconductor laser 33 are mounted on the silicon substrate 37, and the glass substrate 38 A receiving photodiode 35 is mounted thereon, and a wavelength separation filter 34 is inserted in a glass substrate 38.

この光通信用光モジュールにおいて、光出力強度は通信品質に関わるので重要である。したがって、構成部品数が少なく簡素な構成にして結合損失を小さくできるのであれば、その方が好ましい。さらに、構成素子数を減らし簡素な構成にすることができれば、光モジュールの低コスト化を実現することができる。 In this optical module for optical communication, the optical output intensity is important because it affects the communication quality. Therefore, it is preferable that the coupling loss can be reduced by using a simple configuration with a small number of components. Furthermore, if the number of constituent elements can be reduced and the configuration can be simplified, the cost of the optical module can be reduced.

なお、後述するが、関連する出願として、特許文献１がある。
特開平７−２８３４８５号（第３図） As described later, Patent Document 1 is a related application.
JP-A-7-283485 (FIG. 3)

上述したように、光アイソレータ等の光非相反素子では、磁気光学効果を用いて光非相反性を実現している。この磁気光学効果に基づくバルク型光非相反素子には、ファラデー回転子や偏光を制御する素子等が必要なため、素子サイズが大きくなる問題や各素子間光結合の位置合わせが困難であるといった問題が生じる。 As described above, an optical nonreciprocal element such as an optical isolator realizes optical nonreciprocity using the magneto-optical effect. The bulk-type optical nonreciprocal element based on the magneto-optical effect requires a Faraday rotator, an element for controlling polarization, and the like, so that the element size becomes large and it is difficult to align optical coupling between the elements. Problems arise.

また、光非相反素子は半導体レーザ等の導波路型光機能素子との組み合わせとして用いられるところ、光モジュールにおいて、バルク型では光結合のためにレンズ等が必要であり、それゆえ、集積化が困難であるという問題もある。さらに、この磁性体材料を半導体基板上に成長させることは困難であるので、半導体レーザ等の半導体光機能素子と光非相反素子とをモノリッシク・光集積化することによって、簡易的構造かつコンパクトなサイズの光モジュールを作成することも出来ない。 In addition, the optical non-reciprocal element is used as a combination with a waveguide type optical functional element such as a semiconductor laser. In an optical module, a lens or the like is required for optical coupling in a bulk type. There is also a problem that it is difficult. Furthermore, since it is difficult to grow this magnetic material on a semiconductor substrate, a simple structure and a compact structure are realized by monolithically and optically integrating a semiconductor optical functional device such as a semiconductor laser and an optical nonreciprocal device. It is not possible to create optical modules of the same size.

したがって、偏光子や磁性材料を用いることなく、半導体レーザ等と集積可能なコンパクトで偏光無依存な光導波路型光非相反素子を実現できれば、非常にメリットが大きい。なお、光機能素子にレンズフリーで結合でき、集積化に適した光導波路型光アイソレータも提案されているが、この光導波路型光アイソレータも、バルク型のものと同様な原理に基づいており、素子構成が複雑なため、素子サイズもコンパクト化が図れないといった問題がある。 Therefore, if a compact, polarization-independent optical waveguide type optical non-reciprocal element that can be integrated with a semiconductor laser or the like without using a polarizer or a magnetic material can be realized, there is a great merit. In addition, an optical waveguide type optical isolator that can be coupled to an optical functional element without a lens and is suitable for integration has also been proposed, but this optical waveguide type optical isolator is also based on the same principle as a bulk type optical isolator. Since the element configuration is complicated, there is a problem that the element size cannot be reduced in size.

磁気光学効果を用いない導波路型光アイソレータが例えば特許文献１に提案されている。その光アイソレータを図１２に示す。 A waveguide-type optical isolator that does not use the magneto-optical effect is proposed in, for example, Patent Document 1. FIG. 12 shows the optical isolator.

図１２に示した光アイソレータは、等価屈折率が小さいクラッド領域３０，３１と、等価屈折率が大きく光を導波する導波路２７，２８と、導波してきた光を吸収して光強度を減少させる吸収層２９とから構成されている。ここで、クラッド領域３０、３１の等価屈折率は同じである。 The optical isolator shown in FIG. 12 has cladding regions 30 and 31 having a small equivalent refractive index, waveguides 27 and 28 for guiding light having a large equivalent refractive index, and a light intensity by absorbing the guided light. And an absorbing layer 29 for reducing the amount. Here, the equivalent refractive indices of the cladding regions 30 and 31 are the same.

光導波路２７に入射された光は吸収層２９に吸収されるので、導波路２７から出力されない。一方、導波路２８に入射された光は、導波路２７から出力される。この光アイソレータは、導波路２８から導波路２７のみへ光が伝搬し、そして、導波路２７からは吸収層２９と導波路２８とに光が分配されて分岐するため、非相反性を有する。 The light incident on the optical waveguide 27 is not output from the waveguide 27 because it is absorbed by the absorption layer 29. On the other hand, the light incident on the waveguide 28 is output from the waveguide 27. This optical isolator has non-reciprocity because light propagates from the waveguide 28 to only the waveguide 27 and is split from the waveguide 27 to the absorption layer 29 and the waveguide 28.

しかしながら、この光アイソレータには、素子特性が良くない、素子サイズが大きい、導波路入射角があり接続が困難であるなどの種々の問題点がある。素子特性が良くないことについて、より詳述すると、図１２に示した構成は、Ｙ字分岐型導波路と光吸収部とが結合された構造をしているので、導波路２７へ入射した光は吸収層２９だけでなく、細い導波路２８にも光が伝播するので、結果として戻り光が大きくなる。つまり、光アイソレーション比として評価できる光を遮断する効率が悪く、素子特性が良くないということになる。 However, this optical isolator has various problems such as poor element characteristics, large element size, and a waveguide incident angle, which makes connection difficult. More specifically, the configuration shown in FIG. 12 has a structure in which the Y-branch type waveguide and the light absorbing portion are combined, and thus the light incident on the waveguide 27 is not good. Since the light propagates not only in the absorption layer 29 but also in the thin waveguide 28, the return light increases as a result. That is, the efficiency of blocking light that can be evaluated as the optical isolation ratio is low, and the element characteristics are not good.

また、図１１に示した一芯双方向広帯域光通信用光モジュールに、図１２に示した光アイソレータを用いる場合、送信用信号光の戻り光のみならず、受信用信号光も遮断してしまうため、受信光抽出のための波長分離フィルタ３４と信号用半導体レーザ３３との間に光アイソレータを挿入する構成に限られてしまう。このような構成では素子数が多く、それぞれの素子間で光結合における光損失や結合の困難さ、光モジュールのサイズが大きくなる、コストが高くなるといった問題が生じてしまうことになる。 When the optical isolator shown in FIG. 12 is used in the optical module for single-core bidirectional broadband optical communication shown in FIG. 11, not only the return light of the signal light for transmission but also the signal light for reception is blocked. Therefore, the configuration is limited to a configuration in which an optical isolator is inserted between the wavelength separation filter 34 for extracting the received light and the signal semiconductor laser 33. In such a configuration, the number of elements is large, and problems such as optical loss and difficulty in optical coupling between the elements, an increase in the size of the optical module, and an increase in cost occur.

本発明はかかる諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、光集積化や低コスト化が可能な光機能素子および光モジュールを提供することにある。 The present invention has been made in view of such points, and a main object of the present invention is to provide an optical functional element and an optical module that can be integrated and reduced in cost.

本発明による第１の光機能素子は、互いに等価屈折率が異なる２本の光導波路と、前記２本の光導波路を光軸方向に沿って連結する連結部とを備える。 A first optical functional device according to the present invention includes two optical waveguides having different equivalent refractive indices from each other, and a connecting portion that connects the two optical waveguides along an optical axis direction.

本発明による第２の光機能素子は、第１の光導波路と、前記第１の光導波路の等価屈折率よりも低い等価屈折率を有する第２の光導波路と前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とを光軸方向に沿って連結し、かつ、多モード干渉導波路として機能する連結部とを備える。 A second optical functional device according to the present invention includes a first optical waveguide, a second optical waveguide having an equivalent refractive index lower than an equivalent refractive index of the first optical waveguide, the first optical waveguide, and the second optical functional device. A connection unit that connects the second optical waveguide along the optical axis direction and that functions as a multimode interference waveguide.

ある好適な実施形態において、前記連結部は、前記第２の光導波路を通過する光を多モード伝搬させて、前記第１の光導波路へと結合させる部位である。 In a preferred embodiment, the connecting portion is a portion that propagates light passing through the second optical waveguide in multiple modes and couples the light to the first optical waveguide.

ある好適な実施形態において、前記第１の光導波路は、その中を通過する光を単一モード伝搬させる。 In a preferred embodiment, the first optical waveguide propagates light passing therethrough in a single mode.

ある好適な実施形態において、前記連結部の等価屈折率は、前記光軸方向に沿って連続的または段階的に変化している。 In a preferred embodiment, the equivalent refractive index of the connecting portion changes continuously or stepwise along the optical axis direction.

ある好適な実施形態において、前記連結部の等価屈折率は、前記光軸方向と略垂直な方向に沿って連続的または段階的に変化している。 In a preferred embodiment, an equivalent refractive index of the connecting portion changes continuously or stepwise along a direction substantially perpendicular to the optical axis direction.

本発明による第３の光機能素子は、屈折率が互いに異なる２本の光導波路と、両者を連結する連結部とを備え、前記２本の光導波路のうち、屈折率の大きい光導波路からの入射光は、当該光導波路中を単一モードで伝播し、前記２本の光導波路のうち、屈折率の小さい光導波路からの入射光は、当該光導波路および前記連結部において多モードで伝搬し、それにより、光非相反性が実現されている。 A third optical functional element according to the present invention includes two optical waveguides having different refractive indexes and a connecting portion connecting the two, and among the two optical waveguides, the optical waveguide having a higher refractive index is used. Incident light propagates in the optical waveguide in a single mode, and of the two optical waveguides, incident light from the optical waveguide having a small refractive index propagates in the optical waveguide and the coupling section in multiple modes. Thereby, optical nonreciprocity is realized.

本発明による第４の光機能素子は、第１の光導波路と、前記第１の光導波路の等価屈折率よりも低い等価屈折率を有する第２の光導波路と、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とを光軸方向に沿って連結する連結部とを備え、前記連結部は、前記第２の光導波路の導波路幅を選択に広くすることによって形成されている。 A fourth optical functional device according to the present invention includes a first optical waveguide, a second optical waveguide having an equivalent refractive index lower than an equivalent refractive index of the first optical waveguide, and a first optical waveguide. A connecting portion for connecting the second optical waveguide along the optical axis direction, wherein the connecting portion is formed by selectively increasing a waveguide width of the second optical waveguide.

ある好適な実施形態において、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、それぞれ、平面光導波路であり、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、水平方向に配置されている。 In a preferred embodiment, the first optical waveguide and the second optical waveguide are planar optical waveguides, respectively, and the first optical waveguide and the second optical waveguide are arranged in a horizontal direction. ing.

ある好適な実施形態において、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、それぞれ、平面光導波路であり、前記第１の光導波路が下層に位置し、その上層に前記第２の光導波路が位置している、あるいは、前記第２の光導波路が下層に位置し、その上層に前記第１の光導波路が位置している。 In a preferred embodiment, each of the first optical waveguide and the second optical waveguide is a planar optical waveguide, and the first optical waveguide is located at a lower layer, and the second optical waveguide is located at an upper layer. A waveguide is located, or the second optical waveguide is located in a lower layer, and the first optical waveguide is located in an upper layer.

ある好適な実施形態において、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、それぞれ、コアおよびクラッドから構成されており、前記第１の光導波路の等価屈折率と前記第２の光導波路の等価屈折率との差違は、前記クラッドによって決定されている。 In a preferred embodiment, the first optical waveguide and the second optical waveguide are each composed of a core and a clad, and the equivalent refractive index of the first optical waveguide and the second optical waveguide Is determined by the cladding.

ある好適な実施形態において、前記第１の光導波路のクラッドおよび前記第２の光導波路のクラッドは、同一材料から構成されており、前記第１の光導波路のクラッドの厚さと、前記第２の光導波路のクラッドの厚さとの差違によって、前記等価屈折率の差違が決定されている。 In a preferred embodiment, the cladding of the first optical waveguide and the cladding of the second optical waveguide are made of the same material, and the thickness of the cladding of the first optical waveguide and the thickness of the second The difference between the equivalent refractive index and the thickness of the cladding of the optical waveguide is determined.

ある好適な実施形態において、光アイソレータ、光サーキュレータおよびモード変換器のうちの少なくとも１つの機能を有する。 In a preferred embodiment, it has at least one of an optical isolator, an optical circulator, and a mode converter.

本発明による光モジュールは、光アイソレータおよび光サーキュレータの少なくとも一方として機能する光機能素子と、レーザ素子と、受光素子とを含む光モジュールであって、前記光機能素子は、上記光機能素子である。 An optical module according to the present invention is an optical module including an optical functional element that functions as at least one of an optical isolator and an optical circulator, a laser element, and a light receiving element, wherein the optical functional element is the optical functional element. .

本発明の光機能素子によれば、互いに等価屈折率が異なる２本の光導波路と、当該２本の光導波路を光軸方向に沿って連結する連結部とを備えていることによって、光非相反性が実現されており、その結果、光集積化や低コスト化が可能な光機能素子および光モジュールを提供することができる。 According to the optical functional device of the present invention, by providing two optical waveguides having different equivalent refractive indices from each other and a connecting portion for connecting the two optical waveguides along the optical axis direction, the optical function element is provided. As a result, reciprocity is realized, and as a result, it is possible to provide an optical functional element and an optical module capable of optical integration and cost reduction.

本願発明者は、半導体光機能素子等と集積が可能で、素子サイズが小さく、導波路型光サーキュレータとして利用できる光機能素子を開発することを目標として、鋭意研究した結果、光磁気効果を用いることなく、等価屈折率分布によって光の非相反性を持つ光機能素子を実現することに成功し、本発明に至った。また、この光機能素子を光通信用光モジュールに使用すれば、モジュールの簡素化、低価格化、サイズのコンパクト化も図ることができる。 The inventor of the present application has conducted intensive studies with the aim of developing an optical functional element that can be integrated with a semiconductor optical functional element or the like, has a small element size, and can be used as a waveguide type optical circulator, and as a result, uses the magneto-optical effect. Without having succeeded in realizing an optical functional element having nonreciprocity of light by an equivalent refractive index distribution, the present invention was achieved. Further, if this optical function element is used in an optical module for optical communication, the module can be simplified, reduced in cost, and reduced in size.

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
（実施形態１）
図１（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本発明の実施形態１にかかる光機能素子を説明する。図１（ａ）は、本実施形態の光機能素子１００の構成を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）中のＩＢ−ＩＢ’線に沿った断面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, components having substantially the same function are denoted by the same reference numeral for simplification of description. Note that the present invention is not limited to the following embodiments.
(Embodiment 1)
The optical functional device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1A is a perspective view schematically illustrating a configuration of an optical functional device 100 according to the present embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line IB-IB ′ in FIG. FIG.

図１に示した光機能素子１００は、互いに等価屈折率が異なる２本の光導波路（１０，２０）と、２本の光導波路（１０，２０）を光軸方向５０に沿って連結する連結部５とを備えている。２本の光導波路は、第１の光導波路１０および第２の光導波路２０であり、第１の光導波路１０の等価屈折率よりも、第２の光導波路２０の等価屈折率の方が低くされている。なお、第１の光導波路１０の入出力端子（入出力導波路）を符号１、３として示し、第２の光導波路２０の入出力端子を符号２、４として示している。 The optical functional device 100 shown in FIG. 1 has two optical waveguides (10, 20) having different equivalent refractive indices, and a coupling for coupling the two optical waveguides (10, 20) along the optical axis direction 50. Unit 5. The two optical waveguides are a first optical waveguide 10 and a second optical waveguide 20, and the equivalent refractive index of the second optical waveguide 20 is lower than the equivalent refractive index of the first optical waveguide 10. Have been. Note that input / output terminals (input / output waveguides) of the first optical waveguide 10 are denoted by reference numerals 1 and 3, and input / output terminals of the second optical waveguide 20 are denoted by reference numerals 2 and 4.

第１の光導波路１０と第２の光導波路２０とを光軸方向に沿って連結する連結部５は、第２の光導波路２０の幅を広くすることによって形成されており、多モード干渉導波路として機能する。この連結部５によって、第２の光導波路２０を通過する光を多モード伝搬させて、第１の光導波路１０へと結合させることができる。なお、第１の光導波路１０を通過する光は、そのまま第１の光導波路１０を伝搬させて、第２の光導波路２０へとは結合しないようにすることができる。つまり、端子１からの光は、端子３へと出力するが、端子４へとは出力しない。一方、端子４からの光は、連結部５を介して、端子１へと出力させることができ、端子２には出力させないことができる。 The connecting portion 5 for connecting the first optical waveguide 10 and the second optical waveguide 20 along the optical axis direction is formed by increasing the width of the second optical waveguide 20, and the multimode interference waveguide is formed. Functions as a wave path. With this connecting portion 5, light passing through the second optical waveguide 20 can be propagated in multiple modes and coupled to the first optical waveguide 10. Note that light that passes through the first optical waveguide 10 can be propagated through the first optical waveguide 10 as it is, and can be prevented from being coupled to the second optical waveguide 20. That is, the light from the terminal 1 is output to the terminal 3 but is not output to the terminal 4. On the other hand, the light from the terminal 4 can be output to the terminal 1 via the connecting portion 5 and not output to the terminal 2.

したがって、本実施形態の光機能素子１００では、光非相反性が実現されており、それゆえ、光機能素子１００は、光アイソレータ、光サーキュレータ、モード変換器として利用することができる。 Therefore, in the optical function element 100 of the present embodiment, optical nonreciprocity is realized, and therefore, the optical function element 100 can be used as an optical isolator, an optical circulator, and a mode converter.

以下、本実施形態の構成をさらに詳述する。図１に示した光機能素子１００は、基板６上に、下層クラッド層７、コア層（導波路層）８、上層クラッド層９が下層から順に積層された構造を有しており、いわゆるリッジ導波路構造となっている。なお、クラッド層７および９に挟まれた領域以外のコア層８を除去したハイメサ構造にしても良い。本実施形態では、基板６は、ＩｎＰからなる基板であり、コア層８は、ＩｎＧａＡｓＰから構成されており、クラッド層７，９は、ＩｎＰから構成されている。第１の光導波路１０および第２の光導波路２０は、それぞれ、基板６上に形成された平面光導波路（ＰＬＣ）であり、両者とも、下層クラッド層７、コア層８および上層クラッド層９から構成されている。第１の光導波路１０および第２の光導波路２０は、基板６の主面と平行に配置されており、言い換えると、水平方向に配置されている。 Hereinafter, the configuration of the present embodiment will be described in more detail. The optical function device 100 shown in FIG. 1 has a structure in which a lower clad layer 7, a core layer (waveguide layer) 8, and an upper clad layer 9 are sequentially stacked on a substrate 6 from a lower layer. It has a waveguide structure. Note that a high mesa structure in which the core layer 8 other than the region between the cladding layers 7 and 9 is removed may be used. In the present embodiment, the substrate 6 is a substrate made of InP, the core layer 8 is made of InGaAsP, and the cladding layers 7 and 9 are made of InP. Each of the first optical waveguide 10 and the second optical waveguide 20 is a planar optical waveguide (PLC) formed on the substrate 6, and both are formed from the lower clad layer 7, the core layer 8, and the upper clad layer 9. It is configured. The first optical waveguide 10 and the second optical waveguide 20 are arranged in parallel with the main surface of the substrate 6, in other words, arranged in the horizontal direction.

図１（ａ）および（ｂ）に示すように、第１の光導波路１０と第２の光導波路２０とにおいて、コア層８の上層に位置する上層クラッド層９の厚さはそれぞれ異なる。この上層クラッド層９の厚さの違いによって、両者（すなわち、第１および第２の光導波路１０、２０）の等価屈折率を互いに異なるようにすることができ、したがって、光伝搬方向５０に対し左右で非対称な等価屈折率分布を達成することができる。 As shown in FIGS. 1A and 1B, in the first optical waveguide 10 and the second optical waveguide 20, the thickness of the upper cladding layer 9 located above the core layer 8 is different. Due to the difference in the thickness of the upper cladding layer 9, the equivalent refractive indices of the two (that is, the first and second optical waveguides 10, 20) can be made different from each other. An asymmetrical equivalent refractive index distribution can be achieved on the left and right.

図１に示したような半導体多層構造は、有機金属気相成長（ＭＯ−ＣＶＤ）法、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法や液相エピタキシャル成長（ＬＰＥ）法等で作製することができる。また、等価屈折率差は、層厚の差、組成、材料、ドーパント及びキャリア濃度の差、吸収係数の差、光閉じ込め係数の差、光偏波・波長依存性差などによって実現することが可能である。なお、等価屈折率とは、光導波路内を伝播する光の伝搬定数と波数との関係を規格化して表した数値であり、実効屈折率とも呼ばれるものである。 The semiconductor multilayer structure as shown in FIG. 1 can be manufactured by a metal organic chemical vapor deposition (MO-CVD) method, a molecular beam epitaxial growth (MBE) method, a liquid phase epitaxial growth (LPE) method, or the like. The equivalent refractive index difference can be realized by a difference in layer thickness, a difference in composition, material, dopant and carrier concentration, a difference in absorption coefficient, a difference in light confinement coefficient, a difference in light polarization and wavelength dependence, and the like. is there. The equivalent refractive index is a numerical value obtained by standardizing and expressing the relationship between the propagation constant and the wave number of light propagating in the optical waveguide, and is also called an effective refractive index.

図２（ａ）は、本実施形態の等価屈折率分布を示す平面図であり、図２（ｂ）は、端子１から光を入射した場合の伝搬状態を示すシミュレーション結果であり、そして、図２（ｃ）は、端子４から光を入射した場合の伝搬状態を示すシミュレーション結果である。 FIG. 2A is a plan view showing an equivalent refractive index distribution of the present embodiment, and FIG. 2B is a simulation result showing a propagation state when light is incident from the terminal 1. 2 (c) is a simulation result showing a propagation state when light is incident from the terminal 4.

図２（ａ）中のｎ１、ｎ２、ｎ３は、各領域の等価屈折率を示している。ここでは、ｎ₁＞ｎ₂＞ｎ₃の関係が成り立つ。連結器５となる多モード干渉領域は、第２の光導波路２０の幅を水平方向（光軸方向５０に略直角な方向）に延ばしたものであるので、多モード干渉領域５の等価屈折率は、第２の光導波路２０の等価屈折率と同じｎ₂となる。 N1, n2, and n3 in FIG. 2A indicate the equivalent refractive index of each region. Here, the relationship of n ₁ > n ₂ > n ₃ holds. The multimode interference region serving as the coupler 5 is obtained by extending the width of the second optical waveguide 20 in the horizontal direction (a direction substantially perpendicular to the optical axis direction 50). Becomes n ₂ , which is the same as the equivalent refractive index of the second optical waveguide 20.

図２（ａ）におけるクラッドの等価屈折率ｎ₃は、３．０６４であり、２つの導波路（導波路幅；２μｍ）の等価屈折率ｎ₁およびｎ₂は、それぞれ、３．２２６、３．１８９である。ここで、入射光は、波長１．５５μｍのＴＥ波とし、連結部５（２つの導波路の接続部）の全長および全幅は、それぞれ１００μｍ、８μｍである。図２（ａ）に示した等価屈折率分布を持つ素子構造を、広角有限差分ビーム伝搬法によって素子特性を解析した結果が図２（ｂ）および（ｃ）である。 In FIG. 2A, the equivalent refractive index n ₃ of the clad is 3.064, and the equivalent refractive indexes n ₁ and n ₂ of the _two waveguides (waveguide width: 2 μm) are 3.226, 3226, respectively. .189. Here, the incident light is a TE wave having a wavelength of 1.55 μm, and the total length and total width of the connecting portion 5 (connection portion between the two waveguides) are 100 μm and 8 μm, respectively. FIGS. 2B and 2C show the results of analyzing the element structure of the element structure having the equivalent refractive index distribution shown in FIG. 2A by the wide-angle finite difference beam propagation method.

以下、図２を参照しながら、本実施形態の光機能素子１００が光非相反性を有する原理について説明する。 Hereinafter, the principle that the optical functional element 100 of the present embodiment has optical nonreciprocity will be described with reference to FIG.

図２（ｂ）に示すように、入出力端子１から入力した光は、そのまま単一モード伝搬して、入出力端子３へと出力する。これは、入出力端子１から伝搬してきた光が、多モード干渉領域５に入射しようとしても、光が伝搬している領域は他の領域よりも等価屈折率が大きいからである。つまり、入出力端子１から入力した光は、他領域に洩れることなく、単一モード伝搬として全反射で入出力端子３へ伝搬していく。 As shown in FIG. 2B, the light input from the input / output terminal 1 propagates in a single mode as it is and is output to the input / output terminal 3. This is because, even if the light propagating from the input / output terminal 1 attempts to enter the multi-mode interference region 5, the region where the light is propagating has a larger equivalent refractive index than the other regions. That is, the light input from the input / output terminal 1 propagates to the input / output terminal 3 by total reflection as a single mode propagation without leaking to other regions.

一方、図２（ｃ）に示すように、入出力端子４から入力した光は、入出力端子３へと出力する。これは、入出力端子４から入力した光が多モード干渉領域５に入射すると、この領域５の等価屈折率が他方の導波路の等価屈折率より低いため、他方の等価屈折率が高い導波路領域内を含めた領域で光が多モード干渉伝搬をして、入出力端子１から出力されるからである。このように、多モード干渉伝搬を利用することによって、効率良く光を入出力端子１から取り出すことができる。 On the other hand, as shown in FIG. 2C, light input from the input / output terminal 4 is output to the input / output terminal 3. This is because when the light input from the input / output terminal 4 enters the multimode interference region 5, the equivalent refractive index of this region 5 is lower than the equivalent refractive index of the other waveguide, so that the other equivalent refractive index is higher. This is because light propagates in multi-mode interference in a region including the region and is output from the input / output terminal 1. As described above, light can be efficiently extracted from the input / output terminal 1 by using the multi-mode interference propagation.

したがって、入出力端子１と入出力端子４とをで比べてみれば、光伝搬方向で光出力が異なる光相反性が実現でき、光アイソレータとして利用することが可能である。また、入出力端子１から入射された場合、遮断される光は入出力端子３から取り出すことができ、光伝搬方向別に光を分離する導波路型光サーキュレータとして機能させることも可能である。 Therefore, when the input / output terminal 1 and the input / output terminal 4 are compared, optical reciprocity in which the optical output differs in the light propagation direction can be realized, and the input / output terminal 1 can be used as an optical isolator. Further, when the light enters from the input / output terminal 1, the light to be cut off can be extracted from the input / output terminal 3, and can function as a waveguide type optical circulator for separating the light according to the light propagation direction.

図２（ｂ）および（ｃ）の例をもう一度繰り返して説明する。図２（ｂ）のように、入出力端子１から光が入射した場合、光は等価屈折率の大きい等価屈折率ｎ₁領域のみに閉じ込められ、入出力端子３から出力された。一方、図２（ｃ）のように、入出力端子４から光が入射した場合、等価屈折率ｎ₁及びｎ₂領域内を多モード干渉伝搬して、ほとんど入出力端子１へ出力された。光伝搬方向に対し左右の等価屈折率が非対称であるため、入力位置によって光出力強度分布が対称ではなくなり、入力方向と出力方向で非対称性が現れた。図２（ｂ）および（ｃ）に示した通り、端子１から端子４への光伝搬は、１７ｄＢ程度減衰されて出力されたが、他方、その反対方向伝搬である端子４から端子１への光伝搬は、３ｄＢ程度の減衰となっており、本実施形態における素子構造で、光非相反性を実現できることが確認された。 The example of FIGS. 2B and 2C will be described once again. As shown in FIG. 2B, when light was incident from the input / output terminal 1, the light was confined only in the region of the equivalent refractive index n ₁ having a large equivalent refractive index and output from the input / output terminal 3. On the other hand, as shown in FIG. 2C, when light was incident from the input / output terminal 4, multimode interference propagated in the equivalent refractive index n ₁ and n ₂ regions, and was almost output to the input / output terminal 1. Since the left and right equivalent refractive indexes are asymmetric with respect to the light propagation direction, the light output intensity distribution is not symmetric depending on the input position, and asymmetry appears in the input direction and the output direction. As shown in FIGS. 2B and 2C, the light propagation from the terminal 1 to the terminal 4 is output after being attenuated by about 17 dB. The light propagation is attenuated by about 3 dB, and it was confirmed that the element structure in the present embodiment can realize optical nonreciprocity.

入出力端子１から入出力端子４への出力特性は入力光波長依存性を持っており、この波長依存性を有効に利用することが可能である。また、入出力端子４から０次モードで入射した光は、入出力端子１から１次モードとして出力し、モード変換機能を有する。したがって、本実施形態の導波路構造によって、様々なモード変換が可能である。 The output characteristic from the input / output terminal 1 to the input / output terminal 4 has an input light wavelength dependency, and this wavelength dependency can be used effectively. Further, light incident in the 0th-order mode from the input / output terminal 4 is output from the input / output terminal 1 as a first-order mode, and has a mode conversion function. Therefore, various mode conversions are possible by the waveguide structure of the present embodiment.

また、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、基本モード以外のモードを遮断する入出力導波路構造を採用すれば、０次モードを出力することも可能である。図３に示した構成では、連結部５に段差を設けている。より具体的には、第２の光導波路２０の一部の幅を広げるとともに、第１の光導波路１０の一部の幅も広げて、それにより、連結部５を作製した構成となっている。このような構成にすれば、第１の光導波路１の幅では高次モード（すなわち、０次以外）が存在できず、０次モードを出力することができる。さらに、端子４から１次モードとして入力すれば、モード変換されるため、端子１から０次モードとして出力させることができる。このことは、シュミュレーションによって確認している。 Further, as shown in FIGS. 3A and 3B, if an input / output waveguide structure that blocks a mode other than the fundamental mode is adopted, it is possible to output a zero-order mode. In the configuration shown in FIG. 3, a step is provided in the connecting portion 5. More specifically, the width of a part of the second optical waveguide 20 is increased, and the width of a part of the first optical waveguide 10 is also increased. . With such a configuration, a higher-order mode (that is, a mode other than the 0th order) cannot exist in the width of the first optical waveguide 1, and a 0th-order mode can be output. Further, if the input is made as the primary mode from the terminal 4, the mode is converted, so that the output from the terminal 1 can be made as the 0th mode. This has been confirmed by simulation.

本実施形態の光機能素子は、非対称構造または非対称屈折率導波路の接続による光非相反性に基づいた光機能素子であり、上述したように、光アイソレータ以外の他の光機能素子としても利用することが可能である。つまり、本実施形態の光機能素子１００は、２×２、１×２または複数入力×複数出力構造光導波路の等価屈折率や構造の非対称性を利用した光機能素子であり、光非相反性を有する光機能素子である。 The optical functional device of the present embodiment is an optical functional device based on optical nonreciprocity due to the connection of an asymmetric structure or an asymmetric refractive index waveguide, and is used as an optical functional device other than the optical isolator as described above. It is possible to do. That is, the optical functional device 100 of the present embodiment is an optical functional device utilizing the equivalent refractive index or the asymmetry of the structure of the 2 × 2, 1 × 2 or multiple-input × multiple-output optical waveguide, and has the optical nonreciprocity. An optical functional element having

本実施形態では、光導波路の接続方法として多モード干渉導波路を例に説明したが、それ以外の接続方法（例えば、方向性結合器や、フォトニクス結晶を使った光結合器など）も適用できる。また、入出力端子の幅や構造、入射角度等を調整した形態を適用できる。なお、等価屈折率や導波路幅が異なる構造においても同様な効果が得られる。 In the present embodiment, the multimode interference waveguide has been described as an example of the connection method of the optical waveguide. However, other connection methods (for example, a directional coupler, an optical coupler using a photonic crystal, and the like) can be applied. . Further, a mode in which the width, structure, incident angle, and the like of the input / output terminals are adjusted can be applied. A similar effect can be obtained even in a structure having different equivalent refractive indexes and waveguide widths.

本実施形態の光機能素子によれば、互いに等価屈折率が異なる２本の光導波路１０，２０と連結部５とを備えているので、光集積化や低コスト化を図ることができる。すなわち、本実施形態の構成によると、偏光子や磁性材料を用いることなく、半導体レーザ等と集積可能でコンパクトな光導波路型光非相反素子が実現されるので、集積化に適しており、さらには、偏光子や磁性材料の部品も不要であるので、コスト低減を図ることができる。また、素子構成が簡単であるので、小型化にも適している。 According to the optical function device of the present embodiment, since the two optical waveguides 10 and 20 having different equivalent refractive indices and the connecting portion 5 are provided, optical integration and cost reduction can be achieved. That is, according to the configuration of the present embodiment, a compact optical waveguide type optical non-reciprocal element that can be integrated with a semiconductor laser or the like without using a polarizer or a magnetic material is realized, and is suitable for integration. Since a polarizer or a component made of a magnetic material is not required, the cost can be reduced. Further, since the element configuration is simple, it is suitable for miniaturization.

なお、本実施形態では、導波路を水平方向に配列した構成について説明したが、導波路を垂直方向に積層した構成でも、光非相反性を有する光機能素子を構築することができる。そのような積層した構成（積載構造）を図４に示す。 In the present embodiment, a configuration in which the waveguides are arranged in the horizontal direction has been described. However, an optical functional element having optical nonreciprocity can be constructed even in a configuration in which the waveguides are stacked in the vertical direction. FIG. 4 shows such a stacked configuration (loading structure).

図４に示した光機能素子では、第２の光導波路２０が下層に位置し、その上層に第１の光導波路１０が位置しており、第２の光導波路２０と第１の光導波路１０とは連結部５を介して互いに接続されている。もちろん、第１の光導波路２０と第２の光導波路１０との上下関係を反転させて、第１の光導波路２０が下層に位置し、その上層に第２の光導波路２０が位置するようにしてもよい。 In the optical function device shown in FIG. 4, the second optical waveguide 20 is located in the lower layer, and the first optical waveguide 10 is located in the upper layer, and the second optical waveguide 20 and the first optical waveguide 10 are located in the lower layer. Are connected to each other via the connecting portion 5. Of course, the vertical relationship between the first optical waveguide 20 and the second optical waveguide 10 is reversed so that the first optical waveguide 20 is located in the lower layer and the second optical waveguide 20 is located in the upper layer. You may.

また、導波路を水平方向に配列した場合でも垂直方向に配列した場合でも、連結部５の等価屈折率は、連続的または段階的に変化させることができる。図５（ｂ）は、連結部の等価屈折率を光軸方向５０に沿って連続的に変化させた構成を示しており、そして、図５（ｃ）〜（ｅ）は、光軸方向５０と直角な方向（水平方向）に沿って、連結部の等価屈折率を連続的または段階的に変化させた構成を示している。 Further, whether the waveguides are arranged horizontally or vertically, the equivalent refractive index of the connecting portion 5 can be changed continuously or stepwise. FIG. 5B shows a configuration in which the equivalent refractive index of the connecting portion is continuously changed along the optical axis direction 50, and FIGS. 2 shows a configuration in which the equivalent refractive index of the connecting portion is changed continuously or stepwise along a direction (horizontal direction) perpendicular to FIG.

つまり、図５は、様々な形態の多モード干渉導波路型光機能素子の屈折率分布を示している。連結部の等価屈折率を連続的または段階的に変化させた場合、境界をぼかして、光伝搬を損失なくスムーズに変化させることができる。図５（ｂ）は、図５（ａ）中のＢ−Ｂ’線に沿った断面図であり、図５（ｃ）〜（ｅ）は、図５（ａ）中のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。ここで、符号１２、１３は、入出力導波路であり、符号１４は、接合部であり、そして、符号１５は、クラッド領域である。 That is, FIG. 5 shows the refractive index distribution of the multi-mode interference waveguide type optical function element of various modes. When the equivalent refractive index of the connecting portion is changed continuously or stepwise, the boundary can be blurred and light propagation can be changed smoothly without loss. 5B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. 5A, and FIGS. 5C to 5E are lines AA ′ in FIG. 5A. FIG. Here, reference numerals 12 and 13 denote input / output waveguides, reference numeral 14 denotes a junction, and reference numeral 15 denotes a cladding region.

図５（ｂ）は、上述したように、接合部１４において光伝搬方向（５０）に等価屈折率が連続的に変化した構造を示している。図５（ｃ）は、接合部１４において導波路の横にある左右のクラッド領域で等価屈折率が異なる構造（均一屈折率の導波型光サーキュレータ）である。図５（ｃ）のように、導波路１２、１３の屈折率が均等であっても、導波路左右のクラッド領域の屈折率が異なれば、導波路部の等価的屈折率が左右で非対称になるため、光非相反性を有する光機能素子を構築することができる。図５（ｄ）は、接合部１４の等価屈折率を連続的に変化した構造を示しており、図５（ｅ）は、接合部１４の等価屈折率を段階的に変化した構造を示している。
（実施形態２）
次に、図６および図７を参照しながら、本発明の実施形態に係る光機能素子の製造方法の一例を説明する。本実施形態の製造方法では、基板の上に半導体積層構造を形成した後、その半導体積層構造をエッチングすることによって、本発明の実施形態に係る光機能素子を得る。 FIG. 5B shows a structure in which the equivalent refractive index continuously changes in the light propagation direction (50) at the joint portion 14 as described above. FIG. 5C shows a structure (a waveguide type optical circulator having a uniform refractive index) in which the equivalent refractive index differs between the right and left cladding regions beside the waveguide at the joint portion 14. As shown in FIG. 5C, even if the refractive indices of the waveguides 12 and 13 are equal, if the refractive indices of the clad regions on the left and right sides of the waveguide are different, the equivalent refractive index of the waveguide portion becomes asymmetrical on the left and right. Therefore, an optical functional device having optical nonreciprocity can be constructed. FIG. 5D shows a structure in which the equivalent refractive index of the junction 14 is continuously changed, and FIG. 5E shows a structure in which the equivalent refractive index of the junction 14 is changed stepwise. I have.
(Embodiment 2)
Next, an example of a method for manufacturing an optical functional device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the manufacturing method of the present embodiment, after forming a semiconductor multilayer structure on a substrate, the semiconductor multilayer structure is etched to obtain an optical functional device according to an embodiment of the present invention.

まず、図６（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板１０１の上に、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０２、ＩｎＰクラッド層１０３、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５、ＳｉＯ₂層１１０を下層から積層する。ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５は、ＩｎＰエッチングストップ層１０６を含んでおり、当該ＩｎＰエッチングストップ層１０６と、上層および下層のＩｎＧａＡｓＰ層の３層構造となっている。 First, as shown in FIG. 6A, an InGaAsP waveguide layer 102, an InP cladding layer 103, an InGaAsP cap layer 105, and a SiO ₂ layer 110 are stacked from below on an InP substrate 101. The InGaAsP cap layer 105 includes an InP etching stop layer 106, and has a three-layer structure of the InP etching stop layer 106, and upper and lower InGaAsP layers.

次に、図６（ｂ）に示すように、ＳｉＯ₂層１１０の上に、レジストを塗布した後、所定の形状にパターニングして、レジストパターン１２０を形成する。レジストパターン１２０は、第１の光導波路、第２の光導波路および連結部を規定する形状を有しており、ここでは、「Ｈ」の形状をしている。 Next, as shown in FIG. 6B, a resist is applied on the SiO ₂ layer 110 and then patterned into a predetermined shape to form a resist pattern 120. The resist pattern 120 has a shape that defines the first optical waveguide, the second optical waveguide, and the connection portion, and has a shape of “H” here.

次に、図６（ｃ）に示すように、レジストパターン１２０をマスクとして、エッチングを行うことによって、ＳｉＯ₂層１１０、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５（上層）、ＩｎＰエッチングストップ層１０６、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５（下層）を選択的に除去し、その後、レジストパターン１２０を除去する。 Next, as shown in FIG. 6C, etching is performed using the resist pattern 120 as a mask to form the SiO ₂ layer 110, the InGaAsP cap layer 105 (upper layer), the InP etching stop layer 106, and the InGaAsP cap layer 105 ( The lower layer is selectively removed, and then the resist pattern 120 is removed.

次に、図６（ｄ）に示すように、レジストを塗布し、次いで、一方の光導波路を覆い、他方の光導波路及び連結部を露出するようにパターニングすることによって、レジストパターン１２１を形成する。 Next, as shown in FIG. 6D, a resist is applied, and then, a resist pattern 121 is formed by patterning so as to cover one optical waveguide and expose the other optical waveguide and the connecting portion. .

最後に、図６（ｅ）に示すように、レジストパターン１２１をマスクとして、露出している方の光導波路および連結部におけるＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５（上層）を、エッチングストップ層１０６を利用して、エッチングすることによって選択除去し、その後、レジストパターン１２１を除去すると、本発明の実施形態に係る光機能素子が得られる。 Finally, as shown in FIG. 6E, using the resist pattern 121 as a mask, the exposed optical waveguide and the InGaAsP cap layer 105 (upper layer) at the connection portion are etched using the etching stop layer 106. When the resist is selectively removed by etching and then the resist pattern 121 is removed, the optical functional device according to the embodiment of the present invention is obtained.

この製造方法によって得られる光機能素子（図６（ｅ））では、ＩｎＰ基板６が下層クラッドとして機能し、そして、ＩｎＰクラッド層１０３およびＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５が等価屈折率の差違を設けるための上層クラッドとして機能する。図６（ａ）〜（ｅ）に示した製造方法を言い換えると、下層クラッド層、コア層（導波路層）、エッチングストップ層を含む上層クラッド層から構成された半導体積層構造を用意した後、この半導体積層構造の表面（上面）に、第１の光導波路、第２の光導波路および連結部を規定する形状を有するレジストパターンを形成し、次に、このレジストパターンをマクスとして、２本の光導波路および連結部をエッチングにより作製し、その後、一方の光導波路および連結部（あるいは、一方の光導波路だけ）をエッチングすることにより、互いに等価屈折率が異なる光導波路と、両者を連結する連結部とを有する光機能素子を得る手法である。 In the optical functional device (FIG. 6E) obtained by this manufacturing method, the InP substrate 6 functions as a lower cladding, and the InP cladding layer 103 and the InGaAsP cap layer 105 serve as upper layers for providing a difference in equivalent refractive index. Functions as a cladding. 6A to 6E, in other words, after preparing a semiconductor multilayer structure including an upper clad layer including a lower clad layer, a core layer (waveguide layer), and an etching stop layer, A resist pattern having a shape that defines the first optical waveguide, the second optical waveguide, and the connecting portion is formed on the surface (upper surface) of the semiconductor laminated structure, and then, using this resist pattern as a mask, two resist patterns are formed. The optical waveguide and the connecting portion are formed by etching, and then, the one optical waveguide and the connecting portion (or only one optical waveguide) are etched to form an optical waveguide having an equivalent refractive index different from each other, and a connection connecting the both. This is a technique for obtaining an optical functional element having a portion.

次に、図７（ａ）〜（ｅ）を参照しながら、本発明の実施形態に係る光機能素子の製造方法の他の例を説明する。 Next, another example of the method for manufacturing an optical functional device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

まず、図７（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板１０１の上に、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０２、ＩｎＰクラッド層１０３、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５、ＳｉＯ₂層１１０を下層から積層した半導体積層構造を用意する。図６（ａ）に示したものと異なるのは、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５にエッチングストップ層が含まれていない点である。 First, as shown in FIG. 7A, a semiconductor multilayer structure in which an InGaAsP waveguide layer 102, an InP cladding layer 103, an InGaAsP cap layer 105, and a SiO ₂ layer 110 are stacked from below on an InP substrate 101 is prepared. . 6A is different from that shown in FIG. 6A in that the InGaAsP cap layer 105 does not include an etching stop layer.

次に、図７（ｂ）に示すように、ＳｉＯ₂層１１０の上の所定の箇所に、レジストパターン１２２を形成して、レジストパターン１２２で覆われていないＳｉＯ₂層１１０をエッチングする。レジストパターン１２２は、半導体積層構造の上面にレジストを塗布した後、パターニングすることによって形成される。ここで、レジストパターン１２２の一つの端面１２２ａは、２本の光導波路のうちの一方の光導波路の長手方向に延びる端面（より詳細には、他方の光導波路の端面と対向する端面）を規定している。 Next, as shown in FIG. 7 (b), at a predetermined point on the SiO ₂ layer 110, to form a resist pattern 122 is etched using the SiO ₂ layer 110 which is not covered with the resist pattern 122. The resist pattern 122 is formed by applying a resist on the upper surface of the semiconductor multilayer structure and then patterning the resist. Here, one end face 122a of the resist pattern 122 defines an end face extending in the longitudinal direction of one of the two optical waveguides (more specifically, an end face facing the end face of the other optical waveguide). are doing.

次に、図７（ｃ）に示すように、ＳｉＯ₂層１１０をエッチングし、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５を一部エッチングする。すると、レジストパターン１２２ａの端面１２２ａによって規定された段差を有するＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５が得られる。その後、レジストパターン１２２及びＳｉＯ₂層１１０を除去する。 Next, as shown in FIG. 7C, the SiO ₂ layer 110 is etched, and the InGaAsP cap layer 105 is partially etched. Then, the InGaAsP cap layer 105 having a step defined by the end face 122a of the resist pattern 122a is obtained. After that, the resist pattern 122 and the SiO ₂ layer 110 are removed.

次に、図７（ｄ）に示すように、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５上に、レジストパターン１２３を形成する。レジストパターン１２３は、第１の光導波路、第２の光導波路および連結部を規定する形状を有しており、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５上にレジストを塗布した後、パターニングすることにより形成される。 Next, as shown in FIG. 7D, a resist pattern 123 is formed on the InGaAsP cap layer 105. The resist pattern 123 has a shape that defines the first optical waveguide, the second optical waveguide, and the connection portion, and is formed by applying a resist on the InGaAsP cap layer 105 and then patterning.

最後に、図７（ｅ）に示すように、レジストパターン１２３をマスクとして、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５をエッチングして除去すると、互いに等価屈折率が異なる光導波路と、両者を連結する連結部とを有する光機能素子が得られる。
（他の実施形態）
上述した実施形態では、光導波路としてＰＬＣの形態のものを示したが、光ファイバを用いても同様な効果は得ることができる。ただし、光集積化や小型化の観点からは、ＰＬＣの形態のものの方が好ましいと言える。上述したように、光導波路構造もリッジ構造、ハイメサ構造のあらゆる光導波路構造において適用可能である。 Finally, as shown in FIG. 7E, when the InGaAsP cap layer 105 is removed by etching using the resist pattern 123 as a mask, an optical waveguide having an equivalent refractive index different from each other and a connecting portion connecting the two are provided. An optical functional element is obtained.
(Other embodiments)
In the above-described embodiment, the PLC is used as the optical waveguide, but the same effect can be obtained by using an optical fiber. However, from the viewpoint of optical integration and miniaturization, it can be said that the PLC form is more preferable. As described above, the optical waveguide structure can be applied to any optical waveguide structure such as a ridge structure and a high mesa structure.

さらに、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ材料の光導波路を例として説明したが、材料としてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ等の他の半導体やニオブ酸チリウムや有機材料やガラス等の誘電体及びそれぞれ異なった材料の組み合わせを用いても良い。 Furthermore, the optical waveguide of InGaAsP / InP material has been described as an example, but other semiconductors such as GaAs / AlGaAs, GaN, dielectric materials such as thylium niobate, organic materials and glass, and combinations of different materials are used. May be.

なお、上述の実施形態では、専ら受動素子について説明したが、等価屈折率を変調し非対称性を変化させることや、光増幅・減衰機構を導入することで、光サーキュレータの機能を有するする光変調器や波長可変フィルタ、光スイッチの光能動素子としても利用することも可能である。それは、例えば、電流注入等によって利得や等価屈折率を制御する構造により実現することが可能である。また、光導波路の接続部またはそれ以外において部分的に光を減衰・増幅させたり、光の位相を制御する構造を採用することにより、より有効に光を分離したり、出力特性を制御したりすることが可能である。 In the above embodiment, the passive element is exclusively described. However, by modulating the equivalent refractive index to change the asymmetry, or by introducing an optical amplification / attenuation mechanism, the optical modulation having the function of an optical circulator is achieved. It can also be used as a device, a wavelength tunable filter, or an optical active element of an optical switch. This can be realized, for example, by a structure in which the gain and the equivalent refractive index are controlled by current injection or the like. In addition, by attenuating and amplifying light partially at the connection part of the optical waveguide or other parts, and by adopting a structure that controls the phase of light, light can be separated more effectively and output characteristics can be controlled. It is possible to do.

本発明の実施形態で示した導波路型光サーキュレータ１００を用いた光モジュール２００の構成を図８（ａ）および図８（ｂ）に示す。なお、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示した構成を、一心双方向光モジュールの概念として示した図である。別の言い方をすると、図８（ａ）は、導波路型光サーキュレータを用いた集積光モジュールを示しており、図８（ｂ）は、光サーキュレータを用いた送受信光モジュールの構成を示している。なお、図８中の「ＬＤ」および「ＰＤ」は、レーザ素子（例えば、半導体レーザ）および受光素子（例えば、フォトダイオード）を示している。また、図８（ａ）において符号４０は、入出力導波路を示しており、半導体レーザおよび受光素子は入出力導波路４０に直接結合されている。 FIGS. 8A and 8B show a configuration of an optical module 200 using the waveguide type optical circulator 100 shown in the embodiment of the present invention. FIG. 8B is a diagram showing the configuration shown in FIG. 8A as a concept of a single-fiber bidirectional optical module. In other words, FIG. 8A shows an integrated optical module using a waveguide type optical circulator, and FIG. 8B shows a configuration of a transmitting / receiving optical module using an optical circulator. . Note that “LD” and “PD” in FIG. 8 indicate a laser element (for example, a semiconductor laser) and a light receiving element (for example, a photodiode). In FIG. 8A, reference numeral 40 denotes an input / output waveguide, and the semiconductor laser and the light receiving element are directly coupled to the input / output waveguide 40.

図８に示した構成にすることにより、送信光源である半導体レーザ（ＬＤ）２３の特性を悪化させる反射戻り光を遮断できるとともに、受信光信号を取りだす波長分離フィルタ（図１２中の符号３４参照）の機能も兼ねることができる。その結果、コンパクトで安価な光モジュールを実現することができる。 With the configuration shown in FIG. 8, it is possible to cut off the reflected return light which deteriorates the characteristics of the semiconductor laser (LD) 23 as the transmission light source, and to extract the received optical signal (see reference numeral 34 in FIG. 12). )). As a result, a compact and inexpensive optical module can be realized.

ここでは、導波路型光サーキュレータ１００を用いた一心双方向光モジュール２００について説明したが、導波路型以外でも同様に簡素な構成で一心双方向光モジュールを構成することができる。図８（ｂ）に示した観念図において、それぞれの素子間は、光ファイバまたは光導波路または均一媒体（例えば、空気または空間）によって光結合することができ、導波路型以外の光サーキュレータを用いた光モジュールでも、機能の効率化が図ることが可能である。 Here, the single-fiber bidirectional optical module 200 using the waveguide-type optical circulator 100 has been described. However, a single-fiber bidirectional optical module other than a waveguide-type optical circulator can be similarly configured with a simple configuration. In the conceptual diagram shown in FIG. 8B, the respective elements can be optically coupled by an optical fiber or an optical waveguide or a uniform medium (for example, air or space), and an optical circulator other than the waveguide type is used. It is possible to improve the efficiency of the function even with the optical module.

また、全ての素子を半導体材料で作製することによって、導波路型光サーキュレータ１００、半導体レーザ２２、半導体フォトダイオード２３を集積化でき、さらに簡易的かつコンパクトで安価な光モジュールを作成することができる。 Further, by manufacturing all the elements using a semiconductor material, the waveguide type optical circulator 100, the semiconductor laser 22, and the semiconductor photodiode 23 can be integrated, and a simple, compact, and inexpensive optical module can be manufactured. .

なお、上記構成において、導波路型光アイソレータまたは導波路型光サーキュレータの接続部において、導波路左右のクラッド領域の等価屈折率が異なる非対称構造（図１１における３０と３１のクラッド領域を異なった等価屈折率する）にしてもよい。これは、クラッドの屈折率が異なると等価的な屈折率を異なるようにすることができるからである。 Note that, in the above configuration, at the connection portion of the waveguide type optical isolator or the waveguide type optical circulator, an asymmetric structure in which the equivalent refractive indices of the cladding regions on the left and right of the waveguide are different (the cladding regions 30 and 31 in FIG. Refractive index). This is because if the refractive index of the cladding is different, the equivalent refractive index can be made different.

本発明の光機能素子の原理は、光が伝搬する光導波路または光ファイバにおいて、等価屈折率の大きい領域から等価屈折率の小さい領域への光伝搬及び反射特性と、等価屈折率の小さい領域から等価屈折率の大きい領域への光伝搬及び反射特性とが異なることに基づいている。 The principle of the optical functional element of the present invention is that, in an optical waveguide or an optical fiber through which light propagates, light propagation and reflection characteristics from a region having a large equivalent refractive index to a region having a small equivalent refractive index and a region having a small equivalent refractive index This is based on the fact that light propagation and reflection characteristics to a region having a large equivalent refractive index are different.

この原理を用い、磁性体材料や光偏光子を用いることなく、等価屈折率差または等価屈折率分布のみで光非相反性またはモード変換機能を有する導波路型光機能素子を実現することが可能である。他の均一屈折率導波路型光サーキュレータにおいても、異なった等価屈折率導波路の接合にすること、または両側のクラッド領域の屈折率を非対称にすることにより、所望の導波路への光閉じ込めを強くすることができるので、素子特性の向上が期待できる。 By using this principle, it is possible to realize a waveguide-type optical functional device having optical nonreciprocity or mode conversion function only with an equivalent refractive index difference or equivalent refractive index distribution without using a magnetic material or an optical polarizer. It is. Even in other uniform index waveguide type optical circulators, light confinement in a desired waveguide can be achieved by joining different equivalent index waveguides or making the refractive indices of the cladding regions on both sides asymmetric. Since it can be strengthened, improvement in element characteristics can be expected.

光非相反及びモード変換素子構造としては、等価屈折率または導波路幅が異なる少なくとも２つ以上の光ファイバまたは光導波路が接続部で接続または分岐された構造を挙げることができる。あるいは、その接続部において導波路左右のクラッド領域の等価屈折率が異なる構造、またはその接続部が多モード干渉導波路構造のものを挙げることができる。この構造では、少なくとも２つ以上の入出力光導波路を持っており、複数の固有横モードを導波可能である多モード干渉光導波路において、構造または等価屈折率が光伝搬方向に対し左右で非対称である構造となっている。さらに、これらの導波路間接続部の等価屈折率が光伝搬方向または光伝搬左右方向に対し、連続的または段階的に変化する構造や、部分的に光の減衰・増幅を与えたり、光位相を変化させたりする機能を導入した構造にしてもよい。 Examples of the optical non-reciprocal and mode conversion element structure include a structure in which at least two or more optical fibers or optical waveguides having different equivalent refractive indices or waveguide widths are connected or branched at a connection portion. Alternatively, a structure in which the equivalent refractive index of the clad regions on the left and right sides of the waveguide are different at the connection portion, or a structure in which the connection portion has a multimode interference waveguide structure can be given. In this structure, at least two input / output optical waveguides are provided, and in a multimode interference optical waveguide capable of guiding a plurality of eigenmodes, the structure or equivalent refractive index is asymmetrical in the left and right directions with respect to the light propagation direction. The structure is as follows. In addition, the structure in which the equivalent refractive index of these inter-waveguide connection portions changes continuously or stepwise in the light propagation direction or the light propagation left-right direction, or provides partial attenuation or amplification of light, Or a function introducing a function of changing

本実施形態における光機能素子の素子構造は、入力導波路を１つ以上かつ出力導波路を１つ以上を有しており、等価屈折率分布または構造が、光伝搬左右方向に非対称であることを特徴としている。したがって、本実施形態の光機能素子は、入出力端子間での光の移行を利用した光非相反光機能素子である。複数の固有モードを伝搬する多モード干渉領域を用いて、等価屈折率または構造の異なる２つ以上の光導波路を接続する非対称構造によって、反射率の差のみで光非相反性を有する導波路型光機能素子を実現することを可能としている。 The element structure of the optical functional element in the present embodiment has one or more input waveguides and one or more output waveguides, and the equivalent refractive index distribution or structure is asymmetric in the light propagation left-right direction. It is characterized by. Therefore, the optical functional device of the present embodiment is an optical non-reciprocal optical functional device utilizing the transfer of light between input and output terminals. A waveguide type that has optical nonreciprocity only by a difference in reflectance by using an asymmetric structure that connects two or more optical waveguides having different equivalent refractive indices or structures using a multimode interference region that propagates multiple eigenmodes. It is possible to realize an optical function element.

本実施形態の構成によれば、磁性体を用いることなく、２つ以上の光導波路が接続または接合する導波路型光アイソレータまたは導波路型光サーキュレータの導波路接続部において、等価屈折率を左右非対称にすることにより、光分布の偏りを助長して所望の導波路への出力を強くして、素子特性を向上させる。導波路型光アイソレータまたは導波路型光サーキュレータの接続部において、導波路左右のクラッド領域の等価屈折率が異なる非対称構造にすることによっても、素子特性を同様に向上させることができる。 According to the configuration of the present embodiment, without using a magnetic material, the equivalent refractive index of the waveguide-type optical isolator or the waveguide-type optical circulator to which two or more optical waveguides are connected or joined is controlled by the equivalent refractive index. By making it asymmetric, the bias of the light distribution is promoted, the output to the desired waveguide is increased, and the element characteristics are improved. In the connection part of the waveguide type optical isolator or the waveguide type optical circulator, the device characteristics can be similarly improved by using an asymmetric structure in which the equivalent refractive indices of the cladding regions on the right and left sides of the waveguide are different.

そして、少なくとも半導体レーザ２３と受信用フォトダイオード２２とによって構成される光通信用光モジュールに、光サーキュレータ１００を用いることにより、戻り光を遮断するだけでなく、受信信号光を取り出す波長分離フィルタ３４を不要とすることができ、光モジュールの簡素化、コンパクト化を図ることができる。さらには、磁気光学効果に基づかない導波路型光サーキュレータ１００を用いることにより、それぞれの光部品（光機能素子）をレンズフリーで結合でき、コンパクトにすることができる。また、これらの光機能素子をすべて半導体材料で作製することにより、モノリシック集積が可能となり、更なるコンパクト化が可能となる。 By using the optical circulator 100 for the optical module for optical communication composed of at least the semiconductor laser 23 and the receiving photodiode 22, not only the return light is blocked but also the wavelength separation filter 34 for extracting the received signal light. Can be eliminated, and the optical module can be simplified and made compact. Furthermore, by using the waveguide-type optical circulator 100 that is not based on the magneto-optical effect, each optical component (optical functional element) can be coupled lens-free and can be made compact. Further, by manufacturing all of these optical functional elements from a semiconductor material, monolithic integration becomes possible and further downsizing becomes possible.

上述したように、本発明の光機能素子は、これまでの光磁気効果に基づいた光非相反原理ではなく、非対称構造の等価屈折率分布によるまったく新しい原理に基づいている。このため、他の光機能素子との結合が良い光導波路構造でかつ、ファラデー回転子２５や偏光子２６等が不要な単純構造の光非相反素子の実現が可能である。また、原理が等価屈折率分布のみに基づいているため材料選択が不必要であり、低コスト化が可能な半導体レーザ２３や受光素子２４と、モノリシック・光集積化を実現することができる。本発明の光機能素子は、出力導波路を複数持つ構造をしているので、接続部での反射光を低減でき、または取り出するために利用することができる。また、分離される光は単一モード伝搬するので、これまでにない導波路型光サーキュレータとして、効率よく光を分離すことができる。例えば、多モード干渉導波路構造５を用いた場合、素子サイズがコンパクトで、偏光依存度、波長依存度も小さくすることが可能である。 As described above, the optical functional device of the present invention is not based on the optical non-reciprocity principle based on the magneto-optical effect, but based on a completely new principle based on an equivalent refractive index distribution of an asymmetric structure. For this reason, it is possible to realize an optical non-reciprocal element having a simple structure that has an optical waveguide structure that has good coupling with other optical functional elements and does not require the Faraday rotator 25, the polarizer 26, and the like. Further, since the principle is based only on the equivalent refractive index distribution, material selection is unnecessary, and monolithic and optical integration with the semiconductor laser 23 and the light receiving element 24 that can be reduced in cost can be realized. Since the optical functional device of the present invention has a structure having a plurality of output waveguides, it can be used for reducing or extracting light reflected at the connection portion. Further, since the separated light propagates in a single mode, the light can be efficiently separated as an unprecedented waveguide type optical circulator. For example, when the multi-mode interference waveguide structure 5 is used, the device size is compact, and the polarization dependence and the wavelength dependence can be reduced.

つまり、本発明の光機能素子は、互いに等価屈折率が異なる２本の光ファイバと、前記２本の光ファイバを光軸方向に沿って連結する連結部とを有するものであり、この構成では、導波路間で等価屈折率差があるため、従来の導波路型光アイソレータに比べ高い遮断効果を持たせることが可能となる。また、２つの導波路を平行とすることができ、他の素子との接合を簡便にする構造を構築しやすく、サイズのコンパクト化も図ることができる。さらに、結合長が短く結合効率が良いためにコンパクトで良好な特性を有する光機能素子を実現することができる。加えて、導波路接合面において、多モード干渉による光入射角度が素子特性向上を可能とする。 That is, the optical functional element of the present invention includes two optical fibers having different equivalent refractive indices from each other, and a connecting portion that connects the two optical fibers along the optical axis direction. Since there is an equivalent refractive index difference between the waveguides, it is possible to provide a higher blocking effect than the conventional waveguide type optical isolator. Further, the two waveguides can be made parallel to each other, so that it is easy to construct a structure that facilitates joining with other elements, and the size can be reduced. Furthermore, since the coupling length is short and the coupling efficiency is good, it is possible to realize an optical functional device that is compact and has good characteristics. In addition, the light incident angle due to multi-mode interference at the waveguide junction surface enables the improvement of device characteristics.

また、本発明の光機能素子は、多くの固有モードが存在できる導波路幅を有する多モード干渉導波路５を備えており、この光機能素子は、偏光無依存であるため、偏光無依存の光アイソレータまたは光サーキュレータを実現することができる。本実施形態の多モード干渉導波路５の導波路幅は一定であるが、異なるようにしてもよい。２本の光導波路を挟むクラッド領域の屈折率を非対称にすることによって、等価屈折率を左右非対称にすることもでき、そのようにして、光分布の偏りを助長して所望の導波路への出力を強くし、素子特性の向上を図ることができる。 In addition, the optical functional device of the present invention includes the multimode interference waveguide 5 having a waveguide width in which many eigenmodes can exist. Since the optical functional device is polarization independent, it is polarization independent. An optical isolator or optical circulator can be realized. The waveguide width of the multimode interference waveguide 5 of the present embodiment is constant, but may be different. By making the refractive index of the cladding region sandwiching the two optical waveguides asymmetrical, the equivalent refractive index can also be made asymmetrical in the left and right direction. The output can be increased and the element characteristics can be improved.

そして、光サーキュレータまたは光サーキュレータ１００を光モジュールに使用することによって、送信光源である半導体レーザ２３の特性を悪化させる反射戻り光を遮断できるとともに、受信光信号を取りだす波長分離フィルタ３４の機能も兼ねることができ、簡素化とコンパクト化が図れる。また磁性体材料が不要なのでモノリシック光集積化が図れ、低価格で可能となる。 By using the optical circulator or the optical circulator 100 for the optical module, it is possible to cut off the reflected return light which deteriorates the characteristics of the semiconductor laser 23 as the transmission light source, and also has the function of the wavelength separation filter 34 for extracting the received optical signal. Simplification and compactness can be achieved. In addition, since no magnetic material is required, monolithic optical integration can be achieved and the cost can be reduced.

以上、本発明の好ましい例について説明したが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の変形が可能である。 As described above, the preferred examples of the present invention have been described. However, such description is not a limitation and, of course, various modifications can be made.

本発明の光機能素子は、各種光通信処理システムに必要な素子例えば光アイソレータ，光サーキュレータ，モード変換器として、あるいはそれにレーザ素子，受光素子などを組み込んでなる光モジュールとして利用することができる。 The optical functional element of the present invention can be used as an element necessary for various optical communication processing systems, for example, an optical isolator, an optical circulator, a mode converter, or an optical module in which a laser element, a light receiving element, and the like are incorporated.

（ａ）は、本発明の実施形態にかかる光機能素子の構成を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）中のＩＢ−ＩＢ’線に沿った断面図である。(A) is a perspective view schematically showing the configuration of the optical functional device according to the embodiment of the present invention, and (b) is a cross-sectional view along the line IB-IB 'in (a). （ａ）は、本発明の実施形態の等価屈折率分布を示す平面図であり、（ｂ）は、端子１から光を入射した場合の伝搬状態を示すシミュレーション結果の図であり、そして、そして、（ｃ）は、端子４から光を入射した場合の伝搬状態を示すシミュレーション結果の図である。(A) is a plan view showing an equivalent refractive index distribution of the embodiment of the present invention, (b) is a view of a simulation result showing a propagation state when light is incident from a terminal 1, and And (c) is a diagram of a simulation result showing a propagation state when light is incident from the terminal 4. （ａ）は、０次モード出力にするための、多モード干渉導波路型の光機能素子を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）中のIIIＢ−IIIＢ’線に沿った断面図である。(A) is a perspective view schematically showing a multimode interference waveguide type optical functional element for outputting a zero-order mode, and (b) is a view taken along line IIIB-IIIB 'in (a). It is sectional drawing along. （ａ）は、本発明の実施形態にかかる積載構造タイプの多モード干渉導波路型の光機能素子の構成を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）中のIVＢ−IVＢ’線に沿った断面図である。(A) is a perspective view schematically showing a configuration of a multi-mode interference waveguide type optical functional element of a stacking structure type according to an embodiment of the present invention, and (b) is an IVB-type in (a). FIG. 4 is a sectional view taken along the line IVB ′. （ａ）は、本発明の実施形態にかかる非対称導波路型の光機能素子の構成を模式的に示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）中のＢ−Ｂ’線に沿った、等価屈折率分布を示す断面図であり、そして、（ｃ）〜（ｅ）は、（ａ）中のＡ−Ａ’線に沿った、等価屈折率分布を示す断面図である。(A) is a top view which shows typically the structure of the asymmetric waveguide type optical function element concerning embodiment of this invention, (b) was along BB 'line in (a). FIGS. 4A to 4E are cross-sectional views showing equivalent refractive index distributions, and FIGS. 4C to 4E are cross-sectional views showing equivalent refractive index distributions along line AA ′ in FIG. （ａ）〜（ｅ）は、本実施形態の製造方法の一例を説明するための斜視図である。(A)-(e) is a perspective view for explaining an example of the manufacturing method of the present embodiment. （ａ）〜（ｅ）は、本実施形態の製造方法の他の例を説明するための斜視図である。(A)-(e) is a perspective view for demonstrating the other example of the manufacturing method of this embodiment. （ａ）は、本発明の実施形態にかかる導波路型光サーキュレータを用いた光モジュールの構成を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した構成を一心双方向光モジュールの概念として示した図である。FIG. 2A is a plan view schematically showing a configuration of an optical module using a waveguide type optical circulator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a plan view of the configuration shown in FIG. It is a figure shown as a concept of an optical module. （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、光アイソレータ及び光サーキュレータの機能の概略を示す図である。(A) And (b) is a figure which shows the outline of the function of an optical isolator and an optical circulator, respectively. 従来のバルク型光アイソレータの構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a conventional bulk optical isolator. 従来の一心双方向光モジュールの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the conventional one-fiber bidirectional optical module. 従来の導波路型光アイソレータの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the conventional waveguide type optical isolator.

符号の説明Explanation of reference numerals

１入出力端子１（入出力導波路１）
２入出力端子２（入出力導波路２）
３入出力端子３（入出力導波路３）
４入出力端子４（入出力導波路４）
５連結部（多モード干渉領域または導波路接続領域）
６基板（ＩｎＰ基板）
７クラッド層（ＩｎＰクラッド層）
８コア層（ＩｎＧａＡｓＰ導波路層）
９クラッド層（ＩｎＰクラッド層）
１０第１の光導波路（ＩｎＧａＡｓＰ導波路層；等価屈折率大きい）
１２入出力導波路
１３入出力導波路
１４導波路接合部（連結部）
１５クラッド領域
２０第２の光導波路（ＩｎＧａＡｓＰ導波路層；等価屈折率小さい）
２２受光素子（受信用フォトダイオード）
２３半導体レーザ（送信用半導体レーザ）
２５磁性体
２６偏光子
２７入出力導波路
２８入出力導波路
２９光吸収領域
３０クラッド領域
３１クラッド領域
３２モニタ用フォトダイオード
３３半導体レーザ
３４波長分離フィルタ
３５受信用フォトダイオード
３６光ファイバ
３７Ｖ溝Ｓｉプラットホーム
３８ガラス基板
４０入出力導波路
５０光軸方向（光伝搬方向）
１００光機能素子（光アイソレータ、光サーキュレータなど）
２００光モジュール 1 input / output terminal 1 (input / output waveguide 1)
2 input / output terminal 2 (input / output waveguide 2)
3 I / O terminal 3 (I / O waveguide 3)
4 I / O terminal 4 (I / O waveguide 4)
5 Connecting part (multimode interference area or waveguide connection area)
6. Substrate (InP substrate)
7 Cladding layer (InP cladding layer)
8 core layer (InGaAsP waveguide layer)
9 Cladding layer (InP cladding layer)
10 First optical waveguide (InGaAsP waveguide layer; large equivalent refractive index)
12 input / output waveguide 13 input / output waveguide 14 waveguide junction (connection part)
15 clad region 20 second optical waveguide (InGaAsP waveguide layer; equivalent refractive index is small)
22 Light receiving element (receiving photodiode)
23 Semiconductor laser (semiconductor laser for transmission)
Reference Signs List 25 magnetic body 26 polarizer 27 input / output waveguide 28 input / output waveguide 29 light absorption region 30 cladding region 31 cladding region 32 monitoring photodiode 33 semiconductor laser 34 wavelength separation filter 35 receiving photodiode 36 optical fiber 37 V-groove Si Platform 38 Glass substrate 40 Input / output waveguide 50 Optical axis direction (light propagation direction)
100 Optical function elements (optical isolators, optical circulators, etc.)
200 Optical Module

Claims

互いに等価屈折率が異なる２本の光導波路と、
前記２本の光導波路を光軸方向に沿って連結する連結部と
を備えた、光機能素子。 Two optical waveguides having equivalent refractive indexes different from each other;
An optical functional element comprising: a connecting portion that connects the two optical waveguides along an optical axis direction.

第１の光導波路と、
前記第１の光導波路の等価屈折率よりも低い等価屈折率を有する第２の光導波路と
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とを光軸方向に沿って連結し、かつ、多モード干渉導波路として機能する連結部と
を備えた、光機能素子。 A first optical waveguide;
A second optical waveguide having an equivalent refractive index lower than the equivalent refractive index of the first optical waveguide, and connecting the first optical waveguide and the second optical waveguide along the optical axis direction; and An optical functional device comprising: a coupling portion functioning as a multimode interference waveguide.

前記連結部は、前記第２の光導波路を通過する光を多モード伝搬させて、前記第１の光導波路へと結合させる部位である、請求項２に光機能素子。 The optical functional device according to claim 2, wherein the connection portion is a portion that propagates light passing through the second optical waveguide in multiple modes and couples the light to the first optical waveguide.

前記第１の光導波路は、その中を通過する光を単一モード伝搬させる、請求項３に記載の光機能素子。 The optical functional device according to claim 3, wherein the first optical waveguide propagates light passing therethrough in a single mode.

前記連結部の等価屈折率は、前記光軸方向に沿って連続的または段階的に変化している、請求項１から４の何れか一つに記載の光機能素子。 The optical functional device according to claim 1, wherein an equivalent refractive index of the connecting portion changes continuously or stepwise along the optical axis direction.

前記連結部の等価屈折率は、前記光軸方向と略垂直な方向に沿って連続的または段階的に変化している、請求項１から４の何れか一つに記載の光機能素子。 5. The optical function device according to claim 1, wherein an equivalent refractive index of the connection portion changes continuously or stepwise along a direction substantially perpendicular to the optical axis direction. 6.

屈折率が互いに異なる２本の光導波路と、
両者を連結する連結部と
を備え、
前記２本の光導波路のうち、屈折率の大きい光導波路からの入射光は、当該光導波路中を単一モードで伝播し、
前記２本の光導波路のうち、屈折率の小さい光導波路からの入射光は、当該光導波路および前記連結部において多モードで伝搬し、それにより、光非相反性が実現されている、光機能素子。 Two optical waveguides having different refractive indexes;
A connecting portion for connecting the two,
Of the two optical waveguides, the incident light from the optical waveguide having a large refractive index propagates in the optical waveguide in a single mode,
The incident light from the optical waveguide having a small refractive index among the two optical waveguides propagates in multiple modes in the optical waveguide and the coupling portion, thereby realizing optical nonreciprocity. element.

第１の光導波路と、
前記第１の光導波路の等価屈折率よりも低い等価屈折率を有する第２の光導波路と、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とを光軸方向に沿って連結する連結部と
を備え、
前記連結部は、前記第２の光導波路の導波路幅を選択に広くすることによって形成されている、光機能素子。 A first optical waveguide;
A second optical waveguide having an equivalent refractive index lower than the equivalent refractive index of the first optical waveguide;
A connection unit that connects the first optical waveguide and the second optical waveguide along an optical axis direction;
The optical functional element, wherein the connecting portion is formed by selectively increasing a waveguide width of the second optical waveguide.

前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、それぞれ、平面光導波路であり、
前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、水平方向に配置されている、請求項８に記載の光機能素子。 The first optical waveguide and the second optical waveguide are each a planar optical waveguide,
The optical function device according to claim 8, wherein the first optical waveguide and the second optical waveguide are arranged in a horizontal direction.

前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、それぞれ、平面光導波路であり、
前記第１の光導波路が下層に位置し、その上層に前記第２の光導波路が位置している、あるいは、前記第２の光導波路が下層に位置し、その上層に前記第１の光導波路が位置している、請求項８に記載の光機能素子。 The first optical waveguide and the second optical waveguide are each a planar optical waveguide,
The first optical waveguide is located at a lower layer, and the second optical waveguide is located at an upper layer, or the second optical waveguide is located at a lower layer, and the first optical waveguide is located at an upper layer. The optical functional element according to claim 8, wherein is located.

前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、それぞれ、コアおよびクラッドから構成されており、
前記第１の光導波路の等価屈折率と前記第２の光導波路の等価屈折率との差違は、前記クラッドによって決定されている、請求項８に記載の光機能素子。 The first optical waveguide and the second optical waveguide each include a core and a clad,
The optical functional device according to claim 8, wherein a difference between an equivalent refractive index of the first optical waveguide and an equivalent refractive index of the second optical waveguide is determined by the cladding.

前記第１の光導波路のクラッドおよび前記第２の光導波路のクラッドは、同一材料から構成されており、
前記第１の光導波路のクラッドの厚さと、前記第２の光導波路のクラッドの厚さとの差違によって、前記等価屈折率の差違が決定されている、請求項１１に記載の光機能素子。 The cladding of the first optical waveguide and the cladding of the second optical waveguide are made of the same material,
The optical functional device according to claim 11, wherein the difference in the equivalent refractive index is determined by a difference between a thickness of the clad of the first optical waveguide and a thickness of the clad of the second optical waveguide.

光アイソレータ、光サーキュレータおよびモード変換器のうちの少なくとも１つの機能を有する、請求項１から１２の何れか一つに記載の光機能素子。 The optical function device according to claim 1, having at least one function of an optical isolator, an optical circulator, and a mode converter.

光アイソレータおよび光サーキュレータの少なくとも一方として機能する光機能素子と、レーザ素子と、受光素子とを含む光モジュールであって、
前記光機能素子は、請求項１から１２の何れか一つに記載の光機能素子である、光モジュール。 An optical function element that functions as at least one of an optical isolator and an optical circulator, a laser element, and an optical module including a light receiving element,
An optical module, wherein the optical functional element is the optical functional element according to any one of claims 1 to 12.