JP3103417B2

JP3103417B2 - 導波路型光分波回路

Info

Publication number: JP3103417B2
Application number: JP643992A
Authority: JP
Inventors: 國分泰雄; 浅川修一郎
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1992-01-17
Filing date: 1992-01-17
Publication date: 2000-10-30
Anticipated expiration: 2015-10-30
Also published as: JPH06186448A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、導波路型光分波回路に
関し、特に、同一の光導波路内を伝搬してきた波長の異
なる複数の光を各波長毎に分離する分波器、及び、この
分波器と光検出器とを集積化した半導体基板上の光分波
・光検出集積回路に関するものである。

【０００２】なお、本発明は、光導波路内を伝搬してき
たＴＥ（Transverse Electric:電界が基板に平行）、Ｔ
Ｍ（Transverse Magnetic:磁界が基板に平行）の２つの
偏光の中、一方の偏光を基板に放射し、他方を通過させ
る導波路型偏光子、及び、電流注入又は電圧印加等によ
り導波光の強度レベルを変調する光変調器（オンオフス
イッチ）にも関している。

【０００３】

【従来の技術】現在実用化されている光通信システム
は、送信側のレーザダイオードと受信側の光検出器を光
ファイバで一対一に結ぶ単純なシステムである。しか
し、将来は、光ＬＡＮや加入者系の導入に伴い、光ファ
イバ通信の高速、大容量化が要求されることは確実であ
る。近年、その実現のために、超高速ＡＭ変調方式、コ
ヒーレント光通信方式、あるいは、これらの方式におい
て同一の光ファイバで波長の異なる光を多重化して伝送
する波長多重（Wavelength Dvision Multiplexing:略し
てＷＤＭ）方式等、新しい通信方式が提案されている。
波長多重方式において、波長間隔を非常に狭くして多重
度を著しく高くした方式は、周波数多重（Frequency Dv
ision Multiplexing: 略してＦＤＭ）方式あるいは高密
度波長多重（dense ＷＤＭ：略してＤＷＤＭ）方式と呼
ばれる。これらの通信方式では、レーザダイオード、光
検出器の他に、光分波器、光合波器、光スイッチ、偏光
子等の様々な光回路を付加した高性能なシステムが必要
となる。しかしながら、現状の技術でこれらの光回路を
実現するためには、個別に製作した個々の素子を組み合
わせて構成する必要があり、大量生産性、安定性には難
がある。したがって、将来は、安定かつ高性能、低コス
ト、大量生産等の目的で、これらの素子を有機的に一体
集積化した光集積回路に置き換えられると予想される。

【０００４】上記の各素子は、個別に製作すれば高性能
であるが、そのほとんどは、モノリシックに光集積回路
上に製作することは困難である。光集積回路内では、各
種の素子は光導波路により結合されるので、これらの素
子は、光導波路型かあるいは光導波路と組み合わせたも
のが最適である。

【０００５】前述の波長多重方式では、波長の異なる複
数の光を多重化して１本の光ファイバで伝送するので、
伝送されてきた波長の異なる複数の光の中から特定の波
長の光を分離する光分波器が必要不可欠である。近年、
波長の多重度が比較的少ないＷＤＭ方式が実用化されよ
うとしているが、さらに将来は、多重化する波長間隔が
非常に狭く多重度が非常に多いＤＷＤＭあるいはＦＤＭ
方式へと移行すると予想される。

【０００６】ＤＷＤＭあるいはＦＤＭ方式用の導波路型
の分波器としては、現在、マッハツェンダ干渉型（J.Li
ghtwave Technol.,vol.6,pp.1003-1010(1988) ）、グレ
ーティング型（IEEE J.Quantum Electron.,QE-15,No.7,
p.632(1979);IEEE Trans. Circuits Syst.,CAS-26,No.1
2,p.1049(1979)）、非対称方向性結合器（Appl. Phys.
Lett., vol.33,No.2,pp.161-163(1978);IEEE J.Quantum
Electron.,vol.QE-14,No.11,pp.843-847(1978) ）等の
素子の研究が盛んに行われている。

【０００７】マッハツェンダ干渉型分波器は、図１４に
示すように、２つの光路の長さが異なる非対称マッハツ
ェンダ干渉系を基本として、これを複数個組み合わせて
構成したものである。１つの入力ポートに入力した複数
の波長の光は、波長ごとに分離され、各出力ポートから
出力される。このタイプでは、波長数Å程度の間隔で多
数の波長に分離できるが、１つのマッハツェンダ干渉系
でも最大寸法は１ｃｍを越えるから、チャンネル数が多
い場合、その組み合わせ数も多くなり、回路全体の大き
さは少なくとも数ｃｍ程度になる。したがって、多種の
素子からなる光集積回路の一素子として用いるには難が
ある。

【０００８】次に、グレーティング型の基本構成を図１
５に示す。この図に示したものは多波長型分波器として
最も高性能なタイプで、グレーティング部と光検出器を
一組としてカスケードにアレイ化したものである。この
タイプでも、波長間隔数Å程度で個々の波長に分離して
光検出をすることが可能である。しかし、グレーティン
グ部において導波光に散乱が生じ、特にアレイ端末での
検出効率が低下する。また、波長選択作用には２次元的
な広がりを持つグレーティングを用いており、導波路も
その幅に広げる必要があるので、素子の小型化には限界
がある。

【０００９】非対称方向性結合器型分波器は、図１６
（ａ）にその構成を示すように、コアの屈折率及び幅が
異なる２本の導波路からなる方向性結合器で構成され
る。各導波路の伝搬定数β_a、β_bの波長依存性は図１
６（ｂ）のようになり、選択波長λ₁においてβ_a＝β
_bとなる。導波路ａに入射したλ₁の光は、位相整合に
より導波路ａから導波路ｂへ結合する。結合部の長さは
波長λ₁に対する完全結合長Ｌ₁で、波長λ₁の光は導
波路ｂから出力される。波長がλ₁から離れると、β_a
とβ_bは相違し、位相不整合により結合は生じない。し
たがって、波長に対する導波路ｂからの出力強度は、図
１６（ｃ）のようになる。このタイプの分波器でも、選
択波長幅は数Å程度になるが、図１６（ｃ）のように、
選択波長の左右にサイドローブが発生し、これが大きな
問題となる。これは、選択波長λ₁からわずかにずれた
波長でも弱い結合が生じ、結合部の長さが一定であるの
に対し、完全結合長が波長に対して大きく変化するため
である。さらには、一般にこれらの分波器においては、
分波特性がＴＥ偏光とＴＭ偏光でわずかにずれるため
に、波長がわずかにずれた２つの波長のＴＥ成分とＴＭ
成分がクロストークを生じやすい。したがって、分波特
性の偏光依存性を除去する何らかの工夫が必要になる。

【００１０】一方、導波路型偏光子に関しては、ＴＥ通
過・ＴＭ放射（又は、吸収）のタイプとしては、金属ク
ラッド装荷型、異方性光学結晶装荷型、ＡＲＲＯＷ型偏
光子等が提案されている。この中で、ＡＲＲＯＷ型が特
に特性が優れているが、コアの厚さを光ファイバと同程
度にすると、偏光子機能が低下する。また、ＴＭ通過・
ＴＥ放射機能は、異方性光学結晶装荷型のものを用いる
ことにより実現できるが、この素子は大量生産には不向
きで、また、高価である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような状
況に鑑みてなされたものであり、その目的は、上記従来
の光分波器における各種の問題を解決して、選択波長幅
が非常に狭く、スペクトル特性のサイドロープが発生せ
ず、高効率、小型化可能で、製作が容易で、光検出器と
の集積化が可能であり、光集積回路に適した光分波器の
実現が可能となる導波路型光分波器を提供することであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の導波路型光分波器は、基本的には、多層クラッド光
導波路の一種である。図１は本発明の分波器の最も基本
的な構造の断面図（ａ）と屈折率分布（ｂ）を示す図で
あり、この分波器は、半導体基板５上の３層のクラッド
２、３、４とコア１とから構成される多層クラッド導波
路である。各層の屈折率の関係は、半導体基板５が高屈
折率であり、コア層１とクラッッド層３がクラッッド層
２、４に比較して相対的に高くなっている。なお、図１
には、選択波長１．３μｍにするための各層の厚さと屈
折率の数値例を示してあるが、これは単に１例にすぎな
い。各クラッド層２、３、４を、上から順に、第１クラ
ッド層２、第２クラッド層３、第３クラッド層４と呼ぶ
ことにする。この導波路の波長に対する伝搬放射損失
（基板５への放射による損失）は、図２のような特性に
なり、波長λ₁において損失は非常に大きくなるが、波
長がλ₁からわずかに離れれば、損失は急激に低下す
る。したがって、本導波路は選択中心波長がλ₁の狭帯
域幅分波器として機能することが分かる。

【００１３】本発明の導波路がこのような特性をもつ原
理を、前述の非対称方向性結合器の概念を用いて説明す
る。図１の各層の屈折率に注目すると、第２クラッド層
３は隣接する上下の層２、４より屈折率が高くなってい
るので、上部コア層１を除去すれば、３層のクラッドは
第２クラッド層３をコア、第１クラッド層２及び第３ク
ラッド層４をクラッドとした導波路とも考えることがで
きる。すなわち、コア１と３層のクラッド２〜４から構
成される本発明の導波路の構造は、コア層１及び第２ク
ラッド層３をコアとする２つの導波路が平行して接近し
ている非対称方向性結合器の一種と見なすことができ
る。そこで、第２クラッド層３をコアと見なした導波路
の導波モードを第２クラッドモード、これと区別するた
めに、本発明の導波路の本来のコア１をコア層とする導
波モードをコアモードと呼ぶことにする。これを従来技
術で示した図１６の方向性結合器と比較すると、コア層
１は導波路ａ、第２クラッド層３は導波路ｂに相当す
る。導波路ａ、ｂは完全な閉じ込め型導波路であるが、
本発明の素子の場合は、コアモード及び第２クラッドモ
ードでは、光の一部が外部すなわち基板５へ漏れる漏れ
モードである。ただし、コアモードはその漏れの程度が
非常に小さく、第２クラッドモードでは、第２クラッド
層３が高屈折率の基板５に接近しているために、光が基
板５に放射される程度が非常に高く、光をほとんど導波
することはできない。したがって、本発明の導波路型光
分波器と従来の非対称方向性結合器型分波器の相違点
は、この下部の高屈折率層（基板）５の存在にある。

【００１４】コアモード及び第２クラッドモードの伝搬
定数β_c、β₂の波長に対する特性の例を図３に示す。
第２クラッド層３の屈折率及び厚さがコア層１と大きく
異なると、β_c、β₂の特性は大きく相違するが、中心
波長λ₁でβ_c＝β₂となる。さて、図１に示すよう
に、本発明の導波路に波長λ₁の光が入射すると、その
導波モードすなわちコアモードは第２クラッドモードと
伝搬定数が等しいため、位相整合により第２クラッドモ
ードへ結合し、コア層１から第２クラッド層３へとパワ
ーが移行する。しかし、第２クラッドモードに移行した
パワーは直ちに基板５へと放射される。光はパワーが完
全に第２クラッド層３へ移行した後に基板５へ放射され
るのではなく、第２クラッド層３へ移行した光から順次
基板５へ放射されて行く。そして、第２クラッド層３へ
完全に結合するまでには、ほとんどの光は基板５へ放射
される。数値解析によれば、波長λ₁の完全結合長は１
ｍｍ以下であるので、導波路長がその程度あれば、波長
λ₁の光は９９．９％以上が基板５へ放射されることに
なる。一方、図２のように、波長がλ₁からずれた波長
では、β_cとβ₂は相違するので、本発明の導波路に入
射しても、位相不整合により第２クラッドモードには結
合せず、低損失で通過して行く。したがって、本発明の
導波路型分波器の選択波長幅は非常に狭く、選択波長の
光は高効率で基板５へ放射され、それ以外の波長の光は
低損失で伝搬して行くことになる。波長がλ₁からわず
かにずれた光は第２クラッドモードへ不完全な結合を起
こすので、従来の非対称方向性結合器では、これが図１
６（ｃ）のようなサイドローブ発生の原因となっていた
が、本発明の素子では、第２クラッド３へ不完全に結合
した光は直ちに基板（高屈折率層）５へ放射されてコア
１へは戻らないので、サイドローブは発生しない。

【００１５】コア層１と第２クラッド層３の厚さ、屈折
率を大きく相違させれば、図３において、コアモードと
第２クラッドモードの伝搬定数特性の傾きの差（∂β_c
／∂λ−∂β₂／∂λ）が大きくなり、図２の損失特性
は鋭くなる。また、従来の非対称方向性結合器型分波器
では、図１６（ｃ）のように、サイドローブが発生する
のに対し、本発明の素子では、第２クラッド層３からそ
れに平行な基板５へ光を放射させるので、サイドローブ
は発生し得ない。さらに、本発明の分波器の場合、コア
モードの基本モードを第２クラッドモードの任意の次数
のモードに結合させることができる。第２クラッドモー
ドは擬導波モードであり、０次の他に、１次、２次等の
高次モードが存在し得る。一般に、基本モードに対し
て、高次モードの方が伝搬定数の波長依存性（∂β／∂
λ）が大きく、放射損失も大きいので、この高次モード
に結合させた方が分波器の波長選択幅が狭くなり、選択
波長の放射効率も大きくなる。さらに、後述するよう
に、本発明の分波器の偏波依存性は非常に大きく、ＴＥ
偏光に対する分波波長とＴＭ偏光に対する分波波長が非
常に離れている。このことは、言い換えれば、同じ波長
のＴＥ偏光を分波させるための膜厚とＴＭ偏光を分波さ
せるための膜厚が大きく異なることを意味する。したが
って、後に詳しく述べるように、ＴＥ偏光に対する複数
波長の分波器と、ＴＭ偏光に対する同じ波長の分波器を
縦列に配置することにより、偏波ダイバーシティ受信が
可能となるという特長がある。

【００１６】以上、本発明の分波器の原理を方向性結合
器の概念により説明したが、厳密には、上記のコアモー
ド及び第２クラッドモードは、これらのコアがそれぞれ
独立に存在する場合に伝搬するモードであり、結合導波
路の放射損失特性は、一般の多層クラッド導波路の理論
を用いないと計算することはできない。例えば、第２ク
ラッドモードの放射効率は、第３クラッド４の厚さｄ₃
を薄くすれば限りなく大きくなり、選択波長の放射効率
が大きくなるように考えられるが、実際にはｄ₃だけで
なく、第１クラッド２の厚さｄ₁、第２クラッド３の厚
さｄ₂も適当な厚さに設定しないと、放射効率は大きく
ならない。したがって、本発明の分波器を最適設計する
には、単に非対称方向性結合器の片方の導波路に光を放
射させるための層（基板）を接近させ、結合した光を放
射させるものと考えて設計すことはできない。

【００１７】本発明の分波器では、選択波長のみを基板
へ放射させるので、その部分の基板（半導体）上に光検
出器を製作しておけば、その波長の光のみを検出するこ
とができる。すなわち、本発明の分波器は、半導体基板
上の光検出器と集積化することに意味がある。光分波器
を用いるシステムでは、分波した光を直ちに光検出器で
検出する場合が大半で、また、分波した光を処理してか
ら検出する場合も、前者の回路に置き換えられる場合が
多い。

【００１８】なお、多波長の場合は、図４に断面を示す
ように、３層クラッドＣのパラメータ、特に結合層３の
厚さを順に変えて各波長毎の分波器１１、１２、１３を
構成し、対応する基板５の位置に光検出器７を集積化し
て、分波・光検出集積素子をアレイ状に接続することに
より、多数の波長の光を個別に検出するようにすること
ができる。

【００１９】これまでは、本発明による多層クラッド導
波路の光分波器への応用について説明したが、その他、
偏光子、光スイッチへの応用が考えられる。

【００２０】本発明による導波路は、選択波長において
放射効率が高くなるのはＴＥ、ＴＭ何れか一方の偏光で
あり、他方の偏光は低損失で通過させる。すなわち、波
長依存性は大きいが、高消光比、低挿入損失のＴＥ通過
・ＴＭ放射の偏光子、あるいは、ＴＭ通過・ＴＥ放射の
偏光子に適用することができる。あるいは、前述と同様
に、基板上の光検出器と集積化することにより、偏光分
離・ＴＥ（あるいは、ＴＭ）偏光検出器を構成すること
ができる。なお、この集積素子は波長分波機能を兼ねて
おり、偏光分離、光分波、光検出の機能を持つ。

【００２１】次に、本発明の導波路は、伝搬損失が波長
に大きく依存するのと同様に、第２クラッド層の屈折率
の変化に対しても、伝搬損失は大小に大きく変化する。
したがって、第２クラッド層として例えば電気的に屈折
率が制御可能な材料を用い、電気的にこの層の屈折率を
適当に変化させるようにして、この素子を通過する光の
強度を大小に大きく変化させることができるので、光強
度変調器（特に、光スイッチ）として応用することがで
きる。この素子は、素子長が短くても、結合層の屈折率
をわずかに変動させるだけで、高い消光比がとれるの
で、低駆動電圧・電流、高速変調が可能となる。

【００２２】すなわち、本発明の導波路型光分波回路
は、導波路の表面から順に、少なくとも、コア層、３層
以上のクラッド層、基板からなり、最外クラッド層以外
の中間の特定のクラッド層の屈折率を他のクラッド層に
比較して相対的に高くして結合層とし、かつ、基板の屈
折率をコア層及び結合層よりも高くして、コアの伝搬モ
ードと結合層の伝搬モードの伝搬定数を特定の波長のみ
で一致するように設定することにより、コア中を伝搬す
る光の中の特定の波長の光を結合層へ分離して結合する
と共に、分離された光を結合層から基板へ放射させるよ
うにしたことを特徴とするものである。

【００２３】この場合、基板を半導体で形成し、基板上
に放射された光を検出する光検出器を集積化することが
望ましい。また、コア層と結合層と結合層以外のクラッ
ド層の少なくとも１層を屈折率可変材料で形成して、そ
の層の屈折率を変化させることにより、伝搬光の強度変
調又はスイッチングを行うようにすることもできる。

【００２４】さらに、本発明のもう１つの導波路型光分
波回路は、導波路の表面から順に、少なくとも、コア
層、３層以上のクラッド層、基板からなり、最外クラッ
ド層以外の中間の特定のクラッド層の屈折率を他のクラ
ッド層に比較して相対的に高くして結合層とし、かつ、
基板の屈折率をコア層及び結合層よりも高くして、コア
の伝搬モードと結合層の伝搬モードの伝搬定数を特定の
波長のＴＥ又はＴＭ偏光のみで一致するように設定する
ことにより、コア中を伝搬する光の中の特定の波長のＴ
Ｅ又はＴＭ偏光の光を結合層へ分離して結合すると共
に、分離された光を結合層から基板へ放射させるように
したことを特徴とするものである。

【００２５】この場合も、基板を半導体で形成し、基板
上に放射された光を検出する光検出器を集積化すること
が望ましい。そして、伝搬定数が一致する波長が相互に
異なる上記の導波路型光分波回路を複数個縦列に接続す
ることにより偏光分離、波長分波を共に行うようにする
こともできる。

【００２６】

【作用】本発明の第１のものにおいては、波長が異な
り、かつ、波長間隔の狭い複数の光が合波された光信号
を各波長ごとに分離することができ、光検出器を集積化
することにより、分離した各波長の光を基板上の光検出
器に放射させ、光検出器により電気信号に変換すること
ができる。多層クラッド層中の特定の層の厚さを導波路
方向にテーパ状に設定することにより、選択波長幅を広
くすることができる。

【００２７】また、多層クラッド層中の屈折率可変の結
合層に電気的作用等を加えることにより、導波路損失を
大小に著しく変動させ、コア層に入射した光の強度の変
調、又は、スイッチングをすることができる。

【００２８】また、本発明の第２のものにおいては、入
射したＴＥ、ＴＭ２つの偏光を含む光に対して、ＴＭ偏
光を高効率で基板へ放射し、ＴＥ偏光を低損失で通過さ
せるか、あるいは、ＴＥ偏光を放射させ、ＴＭ偏光を通
過させることができる。または、各偏光ごとに分離し、
ＴＥ、ＴＭ偏光を個別に検出することができる。多層ク
ラッド中の特定の層の厚さを導波路方向にテーパ状に変
化させれば、偏光子機能の波長依存性を緩和することが
できる。

【００２９】

【実施例】次に、本発明の導波路型光分波回路等の具体
的な実施例について説明する。

【００３０】本発明による導波路の一般的な構造は、図
５に断面を示すように、３層以上からなる多層クラッド
Ｃ内の最外層以外の中間の特定の層３（１層とは限らな
い）を屈折率を相対的に高くして結合層とした多層クラ
ッド導波路からなるもので、これを分波器とする場合は
選択波長において、偏光子、光スイッチへ応用する場合
は使用波長において、コア層１のコアモードと第２クラ
ッド層３のモードの伝搬定数が一致するように、各層の
屈折率及び厚さを設定する。光分波・光検出集積素子、
偏光分離・光検出集積素子に応用する場合は、基板５を
半導体として、この導波路の下に光検出器を製作してお
く。コアモードは基本モードに限定されるが、コアモー
ドと結合させる第２クラッドモードの次数は任意であ
る。結合させるモード次数により、選択波長幅、基板へ
の放射効率が異なるので、使用目的により適当なモード
次数を選択する。一般に、モード次数が高い程、波長選
択幅は狭く、放射効率は高くなる。クラッド数は３層が
基本であるが、例えば放射効率を上げるため、基板５と
の境界に無反射層を設ける等、クラッド層は３層に限定
されない。

【００３１】図１に、本発明の導波路の基本的な構造
と、選択波長を１．３μｍにするための屈折率、層厚の
数値例を示す。この例では、第２クラッド層３が結合層
である。第１クラッド層２、第３クラッド層４の屈折率
は、コア１、第２クラッド３の屈折率より低くなってい
る。第２クラッド層３の屈折率は、コアの屈折率ｎ_c＝
１．５４に対して、ｎ₂＝２．６と大きく、逆に、コア
の厚さｄ_c＝１４μｍに対してｄ₂＝０．６６５μｍと
非常に薄い。各クラッドの厚さは、数値計算により最適
化されている。図３に示すように、コアモード及び結合
モード（第２クラッドモード）の波長に対する伝搬定数
β_c、β₂の特性曲線の傾きは大きく相違し、ほぼ波長
１．３μｍにおいてβ_c＝β₂となる。この例では、コ
アモードは第２クラッドモードの２次モードに結合され
る。ただし、これらはＴＥ偏光の場合である。図２は多
層クラッドの理論に基づいて計算されたこの導波路の波
長に対する伝搬損失（放射損失）を示すものである。中
心波長１．３μｍにおいて、損失は１００ｄＢ／ｃｍを
越え、１ｃｍ当りで導波路光は−１００ｄＢ以下に減衰
し、この光は基板５へ放射される。波長が１．３μｍか
らわずかに離れると、損失は急激に減少し、損失が１ｄ
Ｂ／ｃｍ以上になる波長幅は４０Å程度と非常に狭い。
波長が１．３μｍから離れる程、損失は減少し、光通信
用として実用的な波長の範囲０．８μｍ〜１．７μｍで
はサイドローブは発生しない。この構造例では、コア厚
は１４μｍと厚く、直接光ファイバに接続しても、光フ
ァイバの伝搬モードとの整合性が良く、損失が少ない。
一方、各クラッド層の厚さは比較的薄いので、製作上有
利である。

【００３２】次に、コア厚を薄くすると、光ファイバと
の界分布の整合が悪くなり、スポットサイズ整合器が必
要となるが、選択波長幅をほとんど変えずに、選択波長
における放射効率をさらに高くすることができる。図６
に図１の構造でコア厚を８μｍとしたときの損失特性を
示す。中心波長１．３μｍにおいて損失３００ｄＢ／ｃ
ｍを越え、素子長が１ｍｍ程度あれば、実用上必要なだ
けの光パワーを基板５へ導くことができる。一方、素子
長が短いだけ非選択波長（通過波長）の光の挿入損失が
低減する。

【００３３】多波長の光を分波する場合は、図４に示し
たように、選択波長が異なる分波器１１〜１３と光検出
器７の集積素子を導波路に沿ってアレイ状に配置すれば
良い。図７に損失特性を示すように、特定のクラッド層
の厚さ、特に結合層の厚さｄ ₂を調節するだけで、中心
波長を任意に設定することができる。この回路により、
導波路内の多数の波長の光をそれぞれ個別に検出するこ
とができる。

【００３４】さて、選択波長幅が狭いことが問題になる
場合、結合層３をコア１の屈折率に近い材料にすれば、
図８に損失特性を示すように、選択波長幅は広くなる。
この例では、ｎ₂＝１．６、ｄ₂＝３．７８μｍと、図
１の例より屈折率及び厚さがコア１に近く、コアモード
と結合モード（第２クラッドモード）の伝搬定数の波長
特性の傾き（∂β／∂λ）が近くなるためである。しか
し、図８のように損失特性の急峻さが失われる。そこ
で、図７から分かるように、クラッド層の中の特定の層
（１層とは限らない）の厚さを変化させると選択波長が
ずれるから、この層の厚さを光の伝搬方向にテーパ状に
変化させれば、立ち上がり、立ち下がりが急峻でかつ波
長選択幅の広い損失特性が得られる。例えば、図１の例
において、図９に断面を示すように、ｄ₂を０．６６３
μｍから０．６６７μｍまで導波路方向に徐々に変化さ
せれば、選択波長は放射損失１ｄＢ／ｃｍ以上の幅で
１．２９５μｍ〜１．３０５μｍとなり、選択波長幅は
１００Å程度と広くなる。

【００３５】さらに、図２に示すように、選択波長で
は、ＴＥ偏光は非常に高損失になるのに対して、ＴＭ偏
光は非常に低損失のままである。すなわち、この導波路
構造は、波長１．３μｍの光に対して、ＴＭ通過・ＴＥ
放射の偏光子として作用する。一方、クラッド層の厚さ
を適当に設定すれば、図１０に損失特性を示すように、
ＴＥ通過・ＴＭ放射の偏光子が構成できる。何れの場合
も、コアが１４μｍと厚いにもかかわらず、十分な消光
比が得られている。偏光子機能の波長依存性の大きさが
問題になる場合は、図９と同様に、特定のクラッド層の
厚さを導波路方向にテーパ状に変化させればよい。さら
に、基板上の光検出器７と集積化すれば、図１１に断面
を示すように、ＴＥ偏光検出器１４、ＴＭ偏光検出器１
５となる。これらの素子は光分波機能を持つので、これ
らのＴＥ偏光分波器１６、ＴＭ偏光分波器１７を図１２
のように組み合わせれば、多波長用の光分波・ＴＥ・Ｔ
Ｍ偏光個別検出回路（偏波ダイバーシティ型分波・光検
出集積素子）が構成できる。これにより、特定の波長を
分波し、かつ、ＴＥ、ＴＭ各偏光を個別に検出できるの
で、この素子は波長多重のコヒーレント光通信システム
等において非常に有用な素子となる。

【００３６】次に、図１３は前記のコア厚８μｍの例
（図６）と同様の構造において、波長を１．３μｍに固
定し、結合層（第２クラッド層）３の屈折率ｎ₂を変化
させた場合の伝搬損失特性である。ｎ₂＝２．６では、
損失は３００ｄＢ／ｃｍ以上であり、ほとんど光を伝搬
させないが、ｎ₂をわずか０．２パーセント変化させた
けで、損失０．１ｄＢ／ｃｍ以下と急激に低減する。し
たがって、結合層３に屈折率可変の材料を用い、電圧印
加あるいは電流注入により結合層３の屈折率を可変にす
れば、光強度変調器、特に光スイッチが構成できる。わ
ずかな屈折率の変化で伝搬損失が大きく変わるので、低
駆動電圧・電流が可能であり、オフ状態（ｎ₂＝２．
６）での伝搬損失が非常に大きいので、消光比を十分大
きくとっても素子長を短くでき、これにより浮遊容量が
低減できるから、高速変調が可能となる。

【００３７】以上、本発明の導波路型光分波回路等をそ
の原理といくつかの実施例に基づいて説明してきたが、
本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能で
ある。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の導波路型光分波回路によると、波長の多重度を非常に
高くした将来のＦＤＭ方式あるいはＤＷＤＭ方式の光通
信システムに必要な光分波・光検出機能が光集積回路上
で実現できる。

【００３９】また、本発明の導波路型光分波回路を偏光
子に適用した場合、結晶プリズム、偏光ビームスプリッ
タ等の個別素子により得られた従来の偏光子機能を光集
積回路上で達成することができる。基板上の光検出器と
集積化することにより、ＴＥ、ＴＭ偏光を個別に検出で
きるだけでなく、光分波機能も兼ねることができる。

【００４０】また、本発明の導波路型光分波回路を光ス
イッチに適用した場合、高消光比、低駆動電圧・電流、
高速変調の光強度変調が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の導波路型光分波回路の最も基本的な構
造の断面図（ａ）と屈折率分布（ｂ）を示す図である。

【図２】図１の導波路の波長に対する伝搬放射損失特性
を示す図である。

【図３】図１の導波路のコアモード及び第２クラッドモ
ードの伝搬定数の波長に対する特性の例を示す図であ
る。

【図４】多波長用分波・光検出集積回路の１例の断面図
である。

【図５】本発明による導波路の一般的な構造を示す断面
図である。

【図６】コアを薄くした場合の伝搬放射損失特性を示す
図である。

【図７】結合層の厚さを変えたときの伝搬放射損失特性
を示す図である。

【図８】結合層の屈折率、厚さをコアの屈折率、厚さに
近づけた場合の伝搬放射損失特性を示す図である。

【図９】結合層の厚さを導波路方向にテーパ状にした例
の断面図である。

【図１０】ＴＭ偏光を対象にした場合の伝搬放射損失特
性を示す図である。

【図１１】光分波・ＴＥ・ＴＭ偏光個別検出回路の１例
を示す断面図である。

【図１２】多波長用光分波・ＴＥ・ＴＭ偏光個別検出回
路の１例を示す断面図である。

【図１３】結合層の屈折率を変化させた場合の伝搬損失
特性の１例を示す図である。

【図１４】従来のマッハツェンダ干渉型分波器の１例の
構成を示す図である。

【図１５】従来のグレーティング型分波器の１例の構成
を示す図である。

【図１６】従来の非対称方向性結合器型分波器の１例の
構成と特性を示す図である。

【符号の説明】

１…コア２…第１クラッド層３…第２クラッド層（結合層）４…第３クラッド層５…基板Ｃ…多層クラッド７…光検出器１１〜１３…分波器１４…ＴＥ偏光検出器１５…ＴＭ偏光検出器１６…ＴＥ偏光分波器１７…ＴＭ偏光分波器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/14 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】導波路の表面から順に、少なくとも、コ
ア層、３層以上のクラッド層、基板からなり、最外クラ
ッド層以外の中間の特定のクラッド層の屈折率を他のク
ラッド層に比較して相対的に高くして結合層とし、か
つ、基板の屈折率をコア層及び結合層よりも高くして、
コアの伝搬モードと結合層の伝搬モードの伝搬定数を特
定の波長のみで一致するように設定することにより、コ
ア中を伝搬する光の中の特定の波長の光を結合層へ分離
して結合すると共に、分離された光を結合層から基板へ
放射させるようにしたことを特徴とする導波路型光分波
回路。
【請求項２】基板を半導体で形成し、基板上に放射さ
れた光を検出する光検出器を集積化したことを特徴とす
る請求項１記載の導波路型光分波回路。
【請求項３】前記コア層と結合層と結合層以外のクラ
ッド層の少なくとも１層を屈折率可変材料で形成して、
その層の屈折率を変化させることにより、伝搬光の強度
変調又はスイッチングを行うようにしたことを特徴とす
る請求項１又は２記載の導波路型光分波回路。
【請求項４】導波路の表面から順に、少なくとも、コ
ア層、３層以上のクラッド層、基板からなり、最外クラ
ッド層以外の中間の特定のクラッド層の屈折率を他のク
ラッド層に比較して相対的に高くして結合層とし、か
つ、基板の屈折率をコア層及び結合層よりも高くして、
コアの伝搬モードと結合層の伝搬モードの伝搬定数を特
定の波長のＴＥ又はＴＭ偏光のみで一致するように設定
することにより、コア中を伝搬する光の中の特定の波長
のＴＥ又はＴＭ偏光の光を結合層へ分離して結合すると
共に、分離された光を結合層から基板へ放射させるよう
にしたことを特徴とする導波路型光分波回路。
【請求項５】基板を半導体で形成し、基板上に放射さ
れた光を検出する光検出器を集積化したことを特徴とす
る請求項４記載の導波路型光分波回路。
【請求項６】伝搬定数が一致する波長が相互に異なる
請求項４又は５の導波路型光分波回路を複数個縦列に接
続することにより偏光分離、波長分波を共に行うように
したことを特徴とする導波路型光分波回路。