JP4499611B2 - 多モード干渉型光導波路 - Google Patents
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Description
図1は、2入力2出力の半導体MMI型光合流・分岐回路の上面図であって、図中101、102は入力導波路、103は多モード干渉領域、104、105は出力導波路、106は多モード領域終端である。
入力導波路101から多モード干渉領域103に入射した光は、多モード導波路となる多モード干渉領域103の複数の導波モードに展開される。言い換えると、入力導波路101の導波モードと多モード干渉領域103における導波モードの重なりに応じて、多モード干渉領域103の導波モードにパワーが分配される。多モード導波路(多モード干渉領域103)の各導波モードに展開された光は、多モード導波路を干渉しながら、ある一定の距離を伝搬したところで自己結像(Self-imaging)効果によりスポット状に集光される。スポットが2個形成されるような距離だけ伝搬したところに出力導波路104、105を配置すれば、入力信号は2つの出力導波路104、105に分配され、分岐回路として動作する。このように多モード導波路を干渉領域として用いることから、本構成の光合流・分岐回路は多モード干渉(MMI)型カプラと呼ばれている。
図4は、図1に示したMMI型光合流・分岐回路の導波路のB−B’断面での断面構造を、図中下側から観測した図であって、図中401は下部クラッドを構成するInP基板、402はInGaAsPコア層、403はInP上部クラッド、404は多モード領域終端を表している。つまり、従来のMMI型光合流・分岐回路において、図1における多モード領域終端106は、図4の終端404に示したように、導波路コア層402、403よりも深くエッチングされて、エッチングミラーが形成されている。半導体導波路の場合、この導波路・空気界面における反射率は約30%であることが知られている。
図1に示したような導波路構造を作製する場合、導波路のエッチングマスク作製に用いるフォトマスクあるいはレチクルの形状は、図1の導波路領域のみにメタルが形成され、導波路領域以外にはメタルは形成されていない。そのため、エッチングマスクを作製するために露光を行った場合、フォトレジストを透過して基板表面に到達したUV光の一部は基板表面で散乱し、四方八方に放射される。この散乱光はフォトマスクのメタルの影の部分のフォトレジストを感光させてしまうため、現像後のフォトレジストの幅はフォトマスクあるいはレチクルで規定される幅より狭くなってしまう。これをパターン変換誤差という。フォトレジスト形成時にパターン変換誤差が存在すると、そのフォトレジストをマスクとして導波路をエッチングしても、できあがった導波路の幅は設計とは異なってしまう。
入力導波路と、出力導波路と、前記入力導波路が一方の端部に接続されると共に、前記出力導波路が前記一方の端部に対向する他方の端部に接続され、導波路幅が前記入力導波路及び前記出力導波路より広い多モード干渉領域とを有する多モード干渉型光導波路において、
前記多モード干渉領域の前記他方の端部であって前記出力導波路の両側に、導波路幅を前記入力導波路及び前記出力導波路より広くした多モード導波路を、少なくとも1本ずつ備えたことを特徴とする。
多モード導波路としては、例えば、導波路幅を入力導波路及び出力導波路より広くすることで、複数の導波モードの存在が可能なものとすればよい。
第1の発明に記載の多モード干渉型光導波路において、
前記多モード干渉領域の前記一方の端部であって前記入力導波路の両側にも、導波路幅を前記入力導波路及び前記出力導波路より広くした多モード導波路を、少なくとも1本ずつ備えたことを特徴とする。
上記課題を解決する第3の発明に係る多モード干渉型光導波路は、
第1又は第2の発明に記載の多モード干渉型光導波路において、
前記入力導波路、前記出力導波路及び前記多モード干渉領域からなる光導波領域の両側に、光閉じ込めするための溝を形成したことを特徴とする。
第3の発明に記載の多モード干渉型光導波路において、
前記溝の幅を、前記溝の深さ以上の大きさとしたことを特徴とする。
更に、上記溝の幅を導波路領域に沿って略一定にすると、製造時におけるパターン変換誤差を抑制することができ、設計通りの光回路を再現性よく提供することが可能となる。
第3又は第4の発明に記載の多モード干渉型光導波路において、
前記溝の外側にスラブ領域を形成すると共に、
前記多モード導波路を、前記溝を横切って前記スラブ領域に接続したことを特徴とする。
第1乃至第5の発明のいずれかに記載の多モード干渉型光導波路において、
前記入力導波路及び前記出力導波路の接続部以外の前記多モード干渉領域の端部を、光の伝搬方向に対して傾けた形状にしたことを特徴とする。
つまり、光の伝搬方向に対して、入力導波路及び出力導波路の接続部以外の端部の全て又は一部が、垂直にならないような形状にすればよい。例えば、接続部以外の端部を、光の伝搬方向に対して、傾斜させればよく、その形状は、直線状(平面)でも、曲線状(曲面)でもよい。
第3の発明によれば、光導波領域の両側に溝を設け、光導波領域の横(幅)方向の光閉じ込めを行ったので、光信号を効率よく伝搬させることができる。
更に、溝の幅を導波路領域に沿って略一定とすれば、導波路幅の場所依存性を排除し、製造時におけるパターン変換誤差を抑制して、均一に再現性よく導波路領域を形成することができる。その結果、入力導波路側への光の反射が少ない光回路を、設計通りに提供することが可能となる。
図5に示すように、本参考例の半導体MMI型光合流・分岐回路は、光信号が入射される入力導波路501、502と、光信号が出射される出力導波路504、505と、一方の端部に入力導波路501、502が接続されると共に他方の端部に出力導波路504、505が接続され、入力導波路501、502及び出力導波路504、505よりも導波路幅の広い多モード干渉領域503とを有する。入力導波路501、502と出力導波路504、505とは、互いに線対称位置に配置されており、又、入力導波路501、502、出力導波路504、505及び多モード干渉領域503からなる光導波領域の両側には、光閉じ込めするため、導波路領域のコア層よりも深く形成された溝506、507が形成されている。ここで、入力導波路501、502及び出力導波路504、505の幅は2μm、多モード干渉領域503の幅及び長さは、それぞれ12μm及び200μmに設定した。動作原理は、図1に示した従来のものと同様である。
図6に示すように、本参考例の半導体MMI型光合流・分岐回路は、下部クラッドを構成するInP基板601と、その上層に形成されたInGaAsPコア層602〜605と、更に上層に形成されたInP上部クラッド606〜609とを有し、光導波領域の両側壁に沿ってコア層602〜605よりも深くエッチングして形成した溝610〜612を有している。光導波領域の横方向の光閉じ込めは、光導波領域のコア及びクラッドを構成する媒質と空気の屈折率差とにより行われている。
本参考例の光合流・分岐回路は、ドライエッチングにより作製される。これは、図5に示したように、エッチング面が結晶面に対し様々な方向を向くため、面方位に依存するようなウェットエッチングを用いることができないためである。ドライエッチングを用いる場合、エッチング部の開口率(エッチングされる部分あるいはエッチングマスクが存在しない部分と、エッチングされない部分あるいはエッチングマスクの存在する部分との面積の比)により、エッチング速度やエッチング形状が異なることが一般的に知られている。
本参考例の導波路パターンを作製する際に用いるフォトマスク、あるいはレチクルは、図5の溝506、507領域以外の部分にメタルが形成されているような形状になっている。メタルの形成されている導波路幅が2μm及び12μmであるのに対し、メタルの形成されていない透明領域の幅W0及びW1は、上述したように18μm及び15μmと設定したので、導波路領域の幅と溝幅W0及びW1との比は高々1〜9倍程度である。従って、基板表面に到達するUV光の量も、図1の従来例と比較して大幅に減少し、基板表面で散乱されるUV光の量も、従来の構造と比較すると1/10程度以下となる。そのため、散乱光により生じるパターン変換誤差を大幅に抑制することが可能となる。これにより、設計とのずれにより生じる反射の発生を最小限に抑えることができる。
図7に示すように、本実施例の半導体MMI型光合流・分岐回路は、光信号が入射される入力導波路701、702と、光信号が出射される出力導波路704、705と、一方の端部に入力導波路701、702が接続されると共に他方の端部に出力導波路704、705が接続され、入力導波路701、702及び出力導波路704、705よりも導波路幅の広い多モード干渉領域703と、多モード干渉領域703の他方の端部に接続された多モード導波路706、707とを有する。入力導波路701、702と出力導波路704、705とは、互いに線対称位置に配置されている。ここで、入力導波路701、702及び出力導波路704、705の幅は2μm、多モード干渉領域703の幅及び長さは、それぞれ12μm及び200μmに設定した。動作原理は、図1に示した従来のものと同様である。又、図7に示したMMI型光合流・分岐回路の導波路のA−A’断面での断面構造は、図3に示したものと同様である。
図8に示すように、本実施例の半導体MMI型光合流・分岐回路は、光信号が入射される入力導波路801、802と、光信号が出射される出力導波路804、805と、一方の端部に入力導波路801、802が接続されると共に他方の端部に出力導波路804、805が接続され、入力導波路801、802及び出力導波路804、805よりも導波路幅の広い多モード干渉領域803と、多モード干渉領域803の他方の端部に接続された多モード導波路806、807とを有する。入力導波路801、802、出力導波路804、805及び多モード干渉領域803からなる光導波領域の両側には、光閉じ込めするため、側壁に沿って、導波路領域のコア層よりも深く形成された溝808、809が形成されており、更に、溝808、809の外側にスラブ領域810、811が形成されている。ここで、入力導波路801、802及び出力導波路804、805の幅は2μm、多モード干渉領域803の幅及び長さは、それぞれ12μm及び200μmに設定した。動作原理は、図1に示した従来のものと同様である。又、図8に示したMMI型光合流・分岐回路の導波路のC−C’断面での断面構造は、図6に示したものと同様である。
図11に示すように、本参考例の半導体MMI型光合流・分岐回路は、光信号が入射される入力導波路1101〜1104と、光信号が出射される出力導波路1106と、一方の端部に入力導波路1101〜1104が接続されると共に他方の端部に出力導波路1106が接続され、入力導波路1101〜1104及び出力導波路1106よりも導波路幅の広い多モード干渉領域1105とを有する。入力導波路1101〜1104、出力導波路1106及び多モード干渉領域1105からなる光導波領域の両側には、光閉じ込めするため、側壁に沿って、導波路領域のコア層よりも深く形成された溝1107、1108が形成されている。ここで、入力導波路1101〜1104及び出力導波路1106の幅は2μm、多モード干渉領域1105の幅及び長さはそれぞれ16μm及び134μmに設定した。動作原理は、図2に示した従来のものと同様である。図11に示したMMI型光合流・分岐回路の導波路のC−C’断面での断面構造は、導波路本数が4本になっていることを除けば、図6に示したものと同様である。
図12に示すように、本実施例の半導体MMI型光合流・分岐回路は、光信号が入射される入力導波路1201〜1204と、光信号が出射される出力導波路1206と、一方の端部に入力導波路1201〜1204が接続されると共に他方の端部に出力導波路1206が接続され、入力導波路1201〜1204及び出力導波路1206よりも導波路幅の広い多モード干渉領域1205と、多モード干渉領域1205の他方の端部に接続された多モード導波路1206、1207とを有する。ここで、入力導波路1201〜1204及び出力導波路1206の幅は2μm、多モード干渉領域1205の幅及び長さは、それぞれ16μm及び134μmに設定した。動作原理は、図2に示した従来のものと同様である。図12に示したMMI型光合流・分岐回路の導波路のA−A’断面での断面構造も、導波路本数が4本になっていることを除けば、図3に示したものと同様である。
図13に示すように、本実施例の半導体MMI型光合流・分岐回路は、光信号が入射される入力導波路1301〜1304と、光信号が出射される出力導波路1306と、一方の端部に入力導波路1301〜1304が接続されると共に他方の端部に出力導波路1306が接続され、入力導波路1301〜1304及び出力導波路1306よりも導波路幅の広い多モード干渉領域1305と、多モード干渉領域1305の他方の端部に接続された多モード導波路1307、1308とを有する。入力導波路1301〜1304、出力導波路1306及び多モード干渉領域1305からなる光導波領域の両側には、光閉じ込めするため、側壁に沿って、導波路領域のコア層よりも深く形成された溝1309、1310が形成されており、更に、溝1309、1310の外側にスラブ領域1311、1312が形成されている。ここで、入力導波路1301〜1304及び出力導波路1306の幅は2μm、多モード干渉領域1305の幅及び長さは、それぞれ16μm及び134μmに設定した。動作原理は、図2に示した従来のものと同様である。図13に示したMMI型光合流・分岐回路の導波路のC−C’断面での断面構造は、導波路本数が4本になっていることを除けば、図6に示したものと同様である。
図16中、1601a〜1601dは下部クラッドであるInP基板、1602a〜1602dはInGaAsPコア層、1603a〜1603dは上部InPクラッド、1604a〜1604dは光の電界を示している。図16(b)に示した構造は、光導波領域の両側のクラッドを薄くした、いわゆるリッジ型導波路、図16(c)に示した構造は、光導波領域の両側のクラッドをゼロにした、リッジ型導波路の変形、図16(d)に示した構造は、光導波領域の両側のコア層まで削り込んだ、リッジ型導波路の変形である。これらの全ての構造においては、図中に一点鎖線で示したように、光の電界の一部が、光導波領域の両側の導波路を構成する媒質と空気の界面の位置よりも上方に存在するため、空気の影響を受けることになる。従って、本発明は、従来例で説明したとおり、多モード干渉領域の終端部において、導波路を構成する媒質・空気界面の反射を抑制する構造であるため、光の電界が空気の屈折率の影響を受けるような全ての構造において、効果が期待できる。
201〜204:入力導波路 205:多モード干渉領域 206:出力導波路 207:多モード領域終端
301:下部クラッドを構成するInP基板 302,303:InGaAsPコア層 304,305:InP上部クラッド
401:下部クラッドを構成するInP基板 402:InGaAsPコア層 403:InP上部クラッド 404:半導体・空気界面
501,502:入力導波路 503:多モード干渉領域 504,505:出力導波路 506,507:溝
601:下部クラッドを構成するInP基板 602〜605:InGaAsPコア層 606〜609:InP上部クラッド 612:溝
701,702:入力導波路 703:多モード干渉領域 704,705:出力導波路 706,707:多モード導波路
801,802:入力導波路 803:多モード干渉領域 804,805:出力導波路 806,807:多モード導波路 808,809:溝 810,811:スラブ領域
901,902:入力導波路 903:多モード干渉領域 904,905:出力導波路 906,907:多モード導波路 908,909:溝 910,911:スラブ領域
1001,1002:入力導波路 1003:多モード干渉領域 1004,1005:出力導波路 1006,1007,1010,1011,1008,1009:溝 1012,1013:スラブ領域
1101〜1104:入力導波路 1105:多モード干渉領域 1106:出力導波路 1107,1108:溝
1201〜1204:入力導波路 1205:多モード干渉領域 1206:出力導波路 1207,1208:多モード導波路
1301〜1304:入力導波路 1305:多モード干渉領域 1306:出力導波路 1307,1308:多モード導波路 1309,1310:溝 1311,1312:スラブ領域
1401〜1404:入力導波路 1405:多モード干渉領域 1406:出力導波路 1407,1408,1413,1414:多モード導波路 1409,1410:溝 1411,1412:スラブ領域
1501a〜1501d:入力導波路もしくは出力導波路 1502a〜1502d:多モード干渉領域 1503a〜1503d:入力導波路もしくは出力導波路で挟まれた領域
1601a〜1601d:下部クラッドを構成するInP基板 1602a〜1602d:InGaAsPコア層 1603a〜1603d:InP上部クラッド 1604a〜1604d:光の電界
Claims (6)
- 入力導波路と、出力導波路と、前記入力導波路が一方の端部に接続されると共に、前記出力導波路が前記一方の端部に対向する他方の端部に接続され、導波路幅が前記入力導波路及び前記出力導波路より広い多モード干渉領域とを有する多モード干渉型光導波路において、
前記多モード干渉領域の前記他方の端部であって前記出力導波路の両側に、導波路幅を前記入力導波路及び前記出力導波路より広くした多モード導波路を、少なくとも1本ずつ備えたことを特徴とする多モード干渉型光導波路。 - 請求項1に記載の多モード干渉型光導波路において、
前記多モード干渉領域の前記一方の端部であって前記入力導波路の両側にも、導波路幅を前記入力導波路及び前記出力導波路より広くした多モード導波路を、少なくとも1本ずつ備えたことを特徴とする多モード干渉型光導波路。 - 請求項1又は請求項2に記載の多モード干渉型光導波路において、
前記入力導波路、前記出力導波路及び前記多モード干渉領域からなる光導波領域の両側に、光閉じ込めするための溝を形成したことを特徴とする多モード干渉型光導波路。 - 請求項3に記載の多モード干渉型光導波路において、
前記溝の幅を、前記溝の深さ以上の大きさとしたことを特徴とする多モード干渉型光導波路。 - 請求項3又は請求項4に記載の多モード干渉型光導波路において、
前記溝の外側にスラブ領域を形成すると共に、
前記多モード導波路を、前記溝を横切って前記スラブ領域に接続したことを特徴とする多モード干渉型光導波路。 - 請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の多モード干渉型光導波路において、
前記入力導波路及び前記出力導波路の接続部以外の前記多モード干渉領域の端部を、光の伝搬方向に対して傾けた形状にしたことを特徴とする多モード干渉型光導波路。
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