JP5625449B2

JP5625449B2 - マッハ・ツェンダ干渉計、アレイ導波路回折格子及びマッハ・ツェンダ干渉計の製造方法

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Publication number: JP5625449B2
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Inventors: 伸秀藤岡
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Description

本発明は、光フィルタとして用いられるマッハ・ツェンダ干渉計、アレイ導波路回折格子及びマッハ・ツェンダ干渉計の製造方法に関する。

光通信における基幹部品として、石英系導波路によるＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit:平面光回路）が広く用いられている。特に、導波路型の波長フィルタや波長合分波器は、波長多重光通信における必須の構成要素である。これらの高性能化や高機能化は、そのまま通信システムの性能や柔軟性の向上に直結するため、重要である。中でも、導波路で作製した非対称マッハ・ツェンダ干渉計は、インターリーバとして用いることができる。この非対称マッハ・ツェンダ干渉計を多段に接続して、波長特性をフラットトップにする設計の開発等も進められている。また、ＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating: アレイ導波路回折格子）は、波長ごとに合波及び分波を行うことができる、最も基本となる素子の１つである。

しかし、これらの素子を利用した石英系導波路によるＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）のサイズは、導波路曲げ半径の制約が有るために、比較的大きい。近年の通信容量の急拡大にともない、ＰＬＣの機能を拡張させる必要があるが、サイズや消費電力の増大が問題となってきており、石英系導波路によるＰＬＣには限界が見え始めてきた。

そこで、これらの問題を解決する技術として、シリコンフォトニクスが注目されている。シリコンフォトニクスとは、コアをシリコンで形成し、クラッドを石英で形成する、高屈折率差の導波路を利用したものを指す。このような高屈折率差の導波路を使用すれば、導波路曲げ半径を大幅に縮小することができるため、導波路素子の小型化・高集積化が可能となる。また、石英と比較して、シリコンの熱光学係数は約２０倍大きいため、熱光学効果を利用したスイッチ等における消費電力を低減することができる。

しかし、シリコンフォトニクスにおいては、小型化が可能な半面、所望のフィルタ特性を得るために必要なシリコンコアの製作精度が概して厳しい。また、シリコン導波路で作製したＡＷＧ素子における熱光学効果によるスペクトルシフト量は、波長１．５ミクロン帯で８０ｐｍ／℃程度と見積もられている。これは、石英系ＡＷＧ素子と比較して約１０倍大きい値である。このような波長フィルタの温度依存性は、特に数十度のオーダで温度変化するマイクロプロセッサの近傍に導波路を配置するような場合には、顕著な問題となる。

これまで、導波路フィルタの温度無依存化のための技術が研究されてきた。特に、負の熱光学係数を有するポリマー等をクラッドに用いる方法が多く開発されている（例えば、特許文献１）。これは、石英やシリコンの熱光学係数の符号は正であるため、これらのコアサイズを適切に設計することで導波モードプロファイルを変化させ、温度依存性を低減するという方法である。しかし、シリコン導波路作製に用いるＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）プロセスにおいてはポリマー材料の使用が困難であるため、別のアプローチが望ましい。

そこで近年、異なるコア幅を有するシリコン導波路の組み合わせにより、温度依存性を低減する方法が提案されている。非特許文献１には、このような方法で、非対称マッハ・ツェンダ干渉計の温度依存性を最小化した例が報告されている。この方法は、シリコンコア幅を変化させたときに、その導波モードプロファイルの変化に伴い等価屈折率の温度依存性が変化する性質を巧みに利用している。なお、等価屈折率の温度依存性がシリコンコア幅に対して変化するのは、３００〜５００ｎｍ程度のコアサイズを有する場合に顕著である。

さらに、特許文献２では、導波路作製に用いるＩｎＧａＡｓ等の材料の組成を調整することにより、導波路の有効屈折率の温度係数のみを変化させる光フィルタが開示されている。これにより、低損失かつ温度依存性を低減できる光フィルタを実現できるとしている。

特開平１０−２２７９３０号公報特開平８−５８３４号公報

M. Uenuma, et al., "Temperature-independent silicon waveguide optical filter", Optics Letters, Vol.34, No.5, pp.599-601 (2009).

しかし、非特許文献１のように、３００〜５００ｎｍのコアサイズを有するシリコン細線導波路の製作精度は、概して厳しい。例えば、高さ２２０ｎｍ、幅４００ｎｍのコアサイズを有するシリコン細線導波路を用いて非対称マッハ・ツェンダ干渉計を作製した場合について検討する。この場合、ＴＥモードに対するその中心波長は、波長１．５ミクロン帯において、コア幅１０ｎｍの製作エラーにつき約２０ｎｍ（光周波数に換算して約２５００ＧＨｚ）ずれることになる。また、特にコア幅３００ｎｍ以下である場合には、導波モードプロファイルがシリコンコアから石英クラッドに染み出す。その結果、等価屈折率の温度依存性は、コア幅に対して敏感に変動することになる。従って、シリコン導波路の等価屈折率の温度依存性を０とするような所望の設計を行うことが困難である。

また、特許文献２に開示された光フィルタでは、導波路に用いる材料としてはＩｎＧａＡｓ等のＩｎＰ系半導体混晶や、ＳｉＯ_２又はアルミナといった材料を用いる。このため、特許文献２に開示された光フィルタをＣＭＯＳプロセスにより作製することは、原理的に不可能である。

従って、これらのいずれによっても、シリコンフォトニクスにおいて十分に波長特性の温度依存性を低減できるマッハ・ツェンダ干渉計（光フィルタ）を得ることができない。

本発明は上記に鑑みて為されたものであり、本発明の目的は、波長特性の温度依存性を十分に低減することができる、低損失のマッハ・ツェンダ干渉計、アレイ導波路回折格子及びマッハ・ツェンダ干渉計の製造方法を提供することにある。

本発明の一態様であるマッハ・ツェンダ干渉計は、入射光から分波された分波光を通過させる第１のアーム部及び第２のアーム部を備え、前記第１のアーム部及び前記第２のアーム部は、第１の導波路と、前記第１の導波路よりも幅が広い第２の導波路と、一端が前記第２の導波路の一端と光学的に接続され、前記第１の導波路及び前記第２の導波路とは異なる材料からなる第３の導波路と、を備え、前記第１の導波路の一端は、前記第２の導波路の他端又は前記第３の導波路の他端と光学的に接続されるものである。

本発明の一態様であるアレイ導波路回折格子は、入射ポートと出射ポートとの間に並列に接続された複数の導波路を備え、前記複数の導波路のそれぞれは、第１の導波路と、前記第１の導波路よりも幅が広い第２の導波路と、一端が前記第２の導波路の一端と光学的に接続され、前記第１の導波路及び前記第２の導波路とは異なる材料からなる第３の導波路と、を備え、前記第１の導波路の一端は、前記第２の導波路の他端又は前記第３の導波路の他端と光学的に接続され、前記複数の導波路の前記第１の導波路のそれぞれの光路長が等しく、前記複数の導波路の前記第２の導波路のそれぞれの光路長が異なり、前記複数の導波路の前記第３の導波路のそれぞれの光路長が異なるものである。

本発明の一態様であるマッハ・ツェンダ干渉計の製造方法は、第１のアーム部及び第２のアーム部に第１の導波路を形成する工程と、前記第１の導波路よりも幅が広い第２の導波路を形成する工程と、前記第１の導波路及び前記第２の導波路とは異なる材料からなる第３の導波路を、一端を前記第２の導波路の一端と接続して形成する工程と、を備え、前記第１の導波路の一端は、前記第２の導波路の他端又は前記第３の導波路の他端と光学的に接続されるものである。

本発明によれば、波長特性の温度依存性を低減することができる、低損失のマッハ・ツェンダ干渉計、アレイ導波路回折格子及びマッハ・ツェンダ干渉計の製造方法を提供することができる。

実施の形態１にかかるマッハ・ツェンダ干渉計１００の構成図である。実施の形態２にかかるマッハ・ツェンダ干渉計２００の構成図である。図２ＡのＩＩ−ＩＩ線における断面構成の例を示す断面図である。図２ＡのＩＩ−ＩＩ線における断面構成の例を示す断面図である。実施の形態３にかかる変調器３００の構成図である。実施の形態４にかかるＡＷＧ４００の構成図である。実施の形態５にかかるマッハ・ツェンダ干渉計５００の構成図である。実施の形態６にかかるマッハ・ツェンダ干渉計６００の構成図である。実施の形態７にかかるマッハ・ツェンダ干渉計７００の構成図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１にかかるマッハ・ツェンダ干渉計１００の構成図である。マッハ・ツェンダ干渉計１００は、アーム部１０ａ、アーム部１０ｂ、３ｄＢ分岐導波路１６及び３ｄＢ分岐導波路１７により構成される。マッハ・ツェンダ干渉計１００は、アーム部１０ａとアーム部１０ｂとの間で非対称な構成を有する。また、マッハ・ツェンダ干渉計１００は、入射ポート１５と出射ポート１８との間に接続される。

アーム部１０ａは、シリコン細線導波路１１ａ、シリコン導波路１２ａ、導波路１３ａにより構成される。シリコン導波路１２ａはシリコン細線導波路１１ａよりも広いコア幅を有している。導波路１３ａは、ＳｉＯＮやＳｉＮ等の、シリコンとは異なる材料により構成される。なお、これらの導波路は、導波光の損失や反射ができるだけ無いように接続されることが望ましい。

アーム部１０ｂは、シリコン細線導波路１１ｂ、シリコン導波路１２ｂ、導波路１３ｂにより構成される。シリコン導波路１２ｂは、シリコン細線導波路１１ｂよりも広いコア幅を有している。導波路１３ｂは、ＳｉＯＮやＳｉＮ等の、シリコンとは異なる材料により構成される。なお、これらの導波路は、導波光の損失や反射ができるだけ無いように接続されることが望ましい。

シリコン細線導波路１１ａ及びシリコン細線導波路１１ｂは同一の長さを有する。従って、シリコン細線導波路１１ａ及びシリコン細線導波路１１ｂは、同一の光路長を有する。ここで、シリコン導波路１２ａ及びシリコン導波路１２ｂにおける等価屈折率をｎ２、導波路１３ａ及び導波路１３ｂにおける等価屈折率をｎ３とする。また、シリコン導波路１２ａの長さＬ１２ａとシリコン導波路１２ｂの長さＬ１２ｂとの差ΔＬ２（すなわち、ΔＬ２＝Ｌ１２ａ−Ｌ１２ｂ）、導波路１３ａの長さＬ１３ａと導波路１３ｂの長さＬ１３ｂとの差をΔＬ３（すなわち、ΔＬ３＝Ｌ１３ａ−Ｌ１３ｂ）とする。このときのアーム部１０ａとアーム部１０ｂとの間の光路長差は、以下の式（１）で表される。但し、ｍは整数である。

よって、式（１）により、中心波長間隔λｒｅｆを以下の式（２）として見積もることができる。なお、以下の式（２）では、ｎｇ２は、シリコン導波路１２ａ及びシリコン導波路１２ｂにおける群屈折率を表す。また、ｎｇ３は、導波路１３ａ及び導波路１３ｂにおける群屈折率を表す。

また、光路長差の温度依存性は、波長特性の変化に帰結することとなる。そのため、以下の式（３）を満たすことができれば、温度依存性を除去することができる。

シリコン導波路１２ａ、シリコン導波路１２ｂ、導波路１３ａ及び導波路１３ｂの等価屈折率及びその温度係数は、材料やコアサイズにより一意に決まる。よって、式（１）〜（３）から、所望の波長特性と温度依存性を有するΔＬ２及びΔＬ３が決定される。

従って、本構成によれば、式（１）又は（２）を所望の値としつつ、式（３）の値を小さくするように、シリコン導波路１２ａ、シリコン導波路１２ｂ、導波路１３ａ及び導波路１３ｂの長さを設定することができる。ここで、式（３）の値を０とすれば、マッハ・ツェンダ干渉計１００の波長特性の温度依存性を無くすことになる。すなわち、本構成によれば、導波路の作製精度を緩和しつつ、導波路の作製精度を緩和しつつ、波長特性の温度依存性を低減することができる、低損失のマッハ・ツェンダ干渉計及びマッハ・ツェンダ干渉計の製造方法を提供することができる。

なお、導波路１３ａ及び導波路１３ｂのコアをＳｉＯ２、ＳｉＯＮ又はＳｉＮにより作製した場合には、導波路１３ａ及び導波路１３ｂにＵＶ光を照射することにより、その屈折率を変化させることができる。これにより、例えば、シリコンコア等の製作誤差に起因する波長特性の微小なずれを、ＵＶ光照射により調整することが可能である。

実施の形態２
次に、実施の形態２にかかるマッハ・ツェンダ干渉計２００について説明する。マッハ・ツェンダ干渉計２００は、上述のマッハ・ツェンダ干渉計１００の具体例である。図２Ａは、実施の形態２にかかるマッハ・ツェンダ干渉計２００の構成図である。図２Ａに示すように、マッハ・ツェンダ干渉計２００は、アーム２０ａ、アーム２０ｂ、３ｄＢ分岐導波路２６、３ｄＢ分岐導波路２７により構成される。マッハ・ツェンダ干渉計２００は、アーム２０ａとアーム２０ｂとの間で非対称な構成を有する。また、マッハ・ツェンダ干渉計２００は、入射ポート２５と出射ポート２８との間に接続される。

アーム２０ａは、シリコン細線導波路２１ａ、シリコン導波路２２ａ、導波路２３ａにより構成される。シリコン導波路２２ａは、シリコン細線導波路２１ａに対して拡大されたコア幅を有している。また、シリコン導波路２２ａは、シリコン細線導波路２１ａに向かって徐々に幅が細くなるように形成される。さらに、シリコン導波路２２ａの一部は導波路２３ａと重複している。重複部分のシリコン導波路２２ａは、光の伝搬方向に向かって、徐々に幅が細くなるように形成される。導波路２３ａは、ＳｉＯＮを用いて形成されている。シリコン細線導波路２１ａは、導波路２３ａに向かって徐々に幅が細くなるように形成される。

アーム２０ｂは、シリコン細線導波路２１ｂ、シリコン導波路２２ｂ、導波路２３ｂにより構成される。シリコン導波路２２ｂは、シリコン細線導波路２１ｂに対して拡大されたコア幅を有している。また、シリコン導波路２２ｂは、シリコン細線導波路２１ｂに向かって徐々に幅が細くなるように形成される。さらに、シリコン導波路２２ｂの一部は導波路２３ｂと重複している。重複部分のシリコン導波路２２ｂは、光の伝搬方向に向かって、徐々に幅が細くなるように形成される。導波路２３ｂは、ＳｉＯＮを用いて形成されている。シリコン細線導波路２１ｂは、導波路２３ｂに向かって徐々に幅が細くなるように形成される。

それぞれ長さが異なるシリコン導波路２２ａ及びシリコン導波路２２ｂのコアの幅又は高さは、１〜２ミクロン以上である。これにより、導波モードの等価屈折率がコアサイズの作製誤差に対して変化しにくくなる。そのため、マッハ・ツェンダ干渉計２００の中心波長等が、作製誤差に対してずれにくくなる。

本構成では、シリコンで作製された導波路は単一モード条件を満たさない。しかし、それぞれコア幅の異なるシリコン細線導波路２１ａとシリコン導波路２２ａとの接続部において、光の伝搬方向に沿ってコア幅が徐々に変化している。また、それぞれコア幅の異なるシリコン細線導波路２１ｂとシリコン導波路２２ｂとの接続部において、光の伝搬方向に沿ってコア幅が徐々に変化している。これにより、断熱的なモード変換を行うことが可能となる。従って、本構成によれば、基本モードを選択的に得ることができる。なお、本構成によれば、併せて放射損失を最小化することも可能である。

次に、シリコン導波路２２ａと導波路２３ａとの接続部における断面構造について説明する。図２Ｂ及び図２Ｃは、図２ＡのＩＩ−ＩＩ線における断面構成の例を示す断面図である。シリコン導波路２２ａと導波路２３ａとの接続部においては、図２Ｂに示すように、シリコン導波路２２ａを囲むように導波路２３ａを形成することができる。また、図２Ｃに示すように、シリコン導波路２２ａの近傍に、導波路２３ａを形成することもできる。そして、シリコン導波路２２ａの幅を、光の伝搬方向に沿って、例えば３００ミクロンの区間で徐々に変化させ、シリコン導波路２２ａの終端における幅を０．１ミクロン以下とする。これにより、放射損失を十分に低減することが可能である。なお、この効果は、アーム２０ｂにおいても同様である。

また、アーム２０ａとアーム２０ｂとの間の光路長差を、式（１）で表されるように、シリコン導波路２２ａ及び導波路２３ａと、シリコン導波路２２ｂ及び導波路２３ｂと、の間の光路長差のみで得られるようにするため、その他の導波路のコアサイズや長さを、アーム２０ａ及びアーム２０ｂで等しくする。これにより、マッハ・ツェンダ干渉計２００の波長特性は、シリコン導波路２２ａ及び導波路２３ａと、シリコン導波路２２ｂ及び導波路２３ｂと、の間の光路長差のみで決定される。

例えば、シリコン導波路２２ａ及びシリコン導波路２２ｂにおける導波モードの実効屈折率ｎ２２を２．８とし、その温度係数ｄｎ２２／ｄＴを２．０×１０^−４とする。また、シリコン導波路２２ａ及びシリコン導波路２２ｂにおける導波モードの群屈折率ｎｇ２２を３．８とする。一方、導波路２３ａ及び導波路２３ｂにおける導波モードの実効屈折率ｎ２３を１．５とし、その温度係数ｄｎ２３／ｄＴを１．０×１０^−５とする。また、導波路２３ａ及び導波路２３ｂにおける導波モードの群屈折率ｎｇ２３を１．５とする。この条件下において、マッハ・ツェンダ干渉計２００の中心波長間隔を４．０ｎｍ（周波数間隔５００ＧＨｚ）とした場合について検討する。この場合、マッハ・ツェンダ干渉計２００の温度依存性を除去するためには、ΔＬ２を＋／−４５７．６９８ミクロン、ΔＬ３を−／＋２２．８８５ミクロンとすればよいと計算することができる。

従って、本構成によれば、波長特性の温度依存性を低減することができる、低損失のマッハ・ツェンダ干渉計及びマッハ・ツェンダ干渉計の製造方法を提供することができる。

実施の形態３
次に、実施の形態３にかかる光変調器３００について説明する。図３は、実施の形態３にかかる光変調器３００の構成図である。光変調器３００は、２つのマッハ・ツェンダ干渉計３０１及び３０２を有する。マッハ・ツェンダ干渉計３０１及び３０２は、それぞれマッハ・ツェンダ干渉計１００と同様の構成を有している。マッハ・ツェンダ干渉計３０２は、入射ポート３１と出射ポート３２との間に光接続される。出射ポート３２の出射側には、バランス型フォトダイオード３３が接続される。

マッハ・ツェンダ干渉計３０１及び３０２は、共に１ビットの遅延量を有する。バランス型フォトダイオード３３は、光変調器３００を通過した光信号を受光することにより、シンボル間の位相差を測定することができる。また、マッハ・ツェンダ干渉計３０１とマッハ・ツェンダ干渉計３０２とにおいては、それぞれの光波の位相を９０度分ずらすことが可能である。これにより、４値出力に対応することが可能である。

本構成によれば、光波長の温度依存性を低減できる光変調器を得ることができる。また、導波路１３ａ及び導波路１３ｂのコアをＳｉＯ２、ＳｉＯＮ又はＳｉＮにより作製した場合には、導波路１３ａ及び導波路１３ｂにＵＶ光を照射することにより、その屈折率を変化させることができる。これにより、例えば、９０度の位相差を高精度に得たい場合には、ＵＶ光照射により位相を調整することが可能である。

本構成は、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）やＤＱＰＳＫ（Diffential Quadrature Phase Shift Keying）等の変調方式における受信に用いられる遅延干渉計や９０度ハイブリッドにも適用可能である。一般に、平面光波回路で干渉計を構成した場合には、空間光学系で構成した干渉計と比較して、その遅延量の温度依存性が問題となる。しかし、本構成によれば、導波路型干渉計の温度依存性を低減することが可能となる。

従って、本構成によれば、波長特性の温度依存性を低減することができる、低損失の光変調器を提供することができる。

実施の形態４
次に、実施の形態４にかかるＡＷＧ４００について説明する。図４は、実施の形態４にかかるＡＷＧ４００の構成図である。ＡＷＧ４００は、例えばアレイ状に配置された６本の導波路が、スラブ部４６とスラブ部４７との間に接続されている。スラブ部４６には入射ポート４５が接続され、スラブ部４７には出射ポート４８が接続される。

６本の導波路のそれぞれは、シリコン細線導波路４１ａ〜ｆ、シリコン導波路４２ａ〜ｆ、導波路４３ａ〜ｆにより構成される。シリコン導波路４２ａ〜ｆは、シリコン細線導波路４１ａ〜ｆよりも広いコア幅を有している。導波路４３ａ〜ｆは、ＳｉＯＮやＳｉＮ等の、シリコンとは異なる材料により構成される。

ＡＷＧ４００では、６本の導波路のそれぞれにより、適切な位相差が光波に付加される。その結果、スラブ部４７における結像箇所が波長成分毎に空間的に分離され、分光特性が得られることになる。

ここで、６本の導波路のそれぞれにおけるシリコン細線導波路４１ａ〜ｆの長さを均一にする。つまり、光波に付加される位相差は、シリコン導波路４２ａ〜ｆ及び導波路４３ａ〜ｆにより付加される。これにより、ＡＷＧの温度依存性を低減しつつ、その製作精度を緩和することができる。

従って、本構成によれば、波長特性の温度依存性を低減することができる、低損失のアレイ導波路回折格子を提供することができる。

実施の形態５
次に、実施の形態５にかかるマッハ・ツェンダ干渉計５００について説明する。図５は、実施の形態５にかかるマッハ・ツェンダ干渉計５００の構成図である。マッハ・ツェンダ干渉計５００は、図１に示すマッハ・ツェンダ干渉計１００において、アーム部１０ｂにリング共振器５１を付加した構成を有する。リング共振器５１は、シリコン細線導波路１１ｂと光接続される。リング共振器５１のコアは、シリコンにより作製される。マッハ・ツェンダ干渉計５００のリング共振器５１を除く部分は、対称型のマッハ・ツェンダ干渉計として構成される。従って、式（１）の計算結果は０となる。マッハ・ツェンダ干渉計５００のその他の構成は、マッハ・ツェンダ干渉計１００と同様であるので、説明を省略する。

シリコンの熱光学係数は正である。そのため、シリコンをコアとする導波路によりリング共振器を作製した場合、素子温度の上昇にともない、リング共振器の共振波長は長波長側へシフトする。マッハ・ツェンダ干渉計５００では、リング共振器５１での波長シフト量を低減するために、リング共振器５１をマッハ・ツェンダ干渉計に結合させている。

しかし、リング共振器５１を結合することにより、マッハ・ツェンダ干渉計５００のアーム部１０ａとアーム部１０ｂとの間には位相差が生じる。そのため、位相差に応じた波長特性が得られることになる。さらに、マッハ・ツェンダ干渉計５００のアーム部１０ａ及びアーム部１０ｂを、同じシリコンコアサイズで対称に作製した場合には、波長特性の温度変化によるずれが生じる。

リング共振器５１により付加される位相シフト量は、温度に依存する。この温度依存を相殺するように式（３）の値を設定することにより、マッハ・ツェンダ干渉計５００全体として、波長特性の温度依存性を低減することが可能となる。

また、シリコン導波路では、自由キャリアプラズマ分散効果により屈折率変化が得られる。シリコン導波路の構造としては、順バイアスｐ−ｉ−ｎダイオード、ＭＯＳキャパシタ及び逆バイアスｐｎ接合などが提案されている。これらの構造それぞれにおいて、位相変調が試みられている。特に、順バイアスｐ−ｉ−ｎダイオードの変調効率は高い。また、素子サイズの小型化のため、リング共振器を用いる構成も提案されている。しかし、リング共振器の共振波長は、上述のように、素子温度に対してシフトする。従って、変調特性が素子温度変化により劣化する欠点を有する。しかし、本構成を適用することにより、変調特性が素子温度の変化により劣化することを防止できる。

実施の形態６
次に、実施の形態６にかかるマッハ・ツェンダ干渉計６００について説明する。図６は、実施の形態６にかかるマッハ・ツェンダ干渉計６００の構成図である。マッハ・ツェンダ干渉計６００は、図１に示すマッハ・ツェンダ干渉計１００において、アーム部１０ａにリング共振器６１を付加し、アーム部１０ｂにリング共振器６２を付加した構成を有する。リング共振器６１及び６２のコアは、シリコンにより作製される。リング共振器６１とリング共振器を除くマッハ・ツェンダ干渉計６００の他の部分は、非対象のマッハ・ツェンダ干渉計として構成される。マッハ・ツェンダ干渉計６００のその他の構成は、マッハ・ツェンダ干渉計１００と同様であるので、説明を省略する。

リング共振器６１及び６２の周囲長は、例えば、アーム部１０ａとアーム部１０ｂとの間の光路長差の２倍または１／２倍等になるように作製される。これにより、マッハ・ツェンダ干渉計６００では、インターリーバとしての波長特性を得ることができる。また、リング共振器６１及び６２のそれぞれとバスラインとの光学的結合強度は、ストップバンドにおける消光比を決める主なパラメータとなる。マッハ・ツェンダ干渉計６００は非対称に構成される点で、実施の形態５にかかるマッハ・ツェンダ干渉計５００と異なるが、温度依存性を低減するための設計については、同様に考えることができる。つまり、リング共振器により付加される位相シフト量の温度依存性を相殺するように、マッハ・ツェンダ干渉計６００の温度依存性を表す式（３）の値を設計すればよい。

実施の形態７
次に、実施の形態７にかかるマッハ・ツェンダ干渉計７００について説明する。図７は、実施の形態７にかかるマッハ・ツェンダ干渉計７００の構成図である。マッハ・ツェンダ干渉計６００は、図１に示すマッハ・ツェンダ干渉計１００において、アーム部１０ａのシリコン細線導波路１１ａに位相シフタ７１を挿入している。さらに、アーム部１０ｂのシリコン細線導波路１１ｂに位相シフタ７２を挿入している。位相シフタ７１及び位相シフタ７２は、例えばｐｎ接合を用いて作製することができる。マッハ・ツェンダ干渉計７００のその他の構成は、マッハ・ツェンダ干渉計１００と同様であるので、説明を省略する。

シリコン導波路を用いたマッハ・ツェンダ干渉計では、通常は干渉計を対称に配置する。しかしながら、故意に非対称性を付与することにより、変調動作特性を変更することが可能である。従って、位相シフタに電圧を印加したときの消光比を、干渉計の非対称性により任意に設計できる。これにより、例えば、低駆動電圧でも適切な変調特性が得ることができるようになる。すなわち、マッハ・ツェンダ干渉計の設計の自由度を向上させることができる。

なお、マッハ・ツェンダ干渉計の出射ポートを入れ替える程度の微小な非対称性しか必要でない場合も考えられる。この場合、シリコン導波路１２ａ及びシリコン導波路１２ｂを除去して、導波路１３ａ及び導波路１３ｂを同じ長さで作製することができる。または、シリコン導波路１２ａ及び導波路１３ａ導波路を同じ長さで作製し、シリコン導波路１２ｂ及び導波路１３ｂ導波路を同じ長さで作製することができる。この場合には、導波路１３ａ及び導波路１３ｂのＵＶ光を照射することにより。微小な作製誤差を調整することが可能である。

その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述の実施の形態では、マッハ・ツェンダ干渉計の両アームにコアサイズを拡大した２つの導波路を設けたが、コアサイズを拡大した導波路の数は３以上でもよい。その場合、式（１）〜（３）の項の数がそれに応じて増加する。これらの式の所望の値に合わせて、例えば、導波路全体のサイズが小さくなるように、それぞれの導波路の長さを設計することが可能である。また、これらの導波路による等価屈折率およびその温度係数、群屈折率が偏波依存性をもつ場合には、中心波長間隔の偏波無依存化等も、本実施の形態により実現される。すなわち、導波路の数によっては、偏波無依存化及び温度無依存化を同時に満たすことも可能である。

図４における導波路４０ａ〜ｆの本数は６本であるが、これはあくまで例示であり、２本以上の任意の本数とすることが可能である。

実施の形態５におけるリング共振器５１は、アーム部１０ｂの導波路１３ｂに結合させてもよい。この場合、リング共振器５１を、導波路１３ｂと同じ材料で作製すればよい。また、実施の形態６におけるリング共振器６１は、アーム部１０ａの導波路１３ａに結合させてもよい。また、リング共振器６２は、アーム部１０ｂの導波路１３ｂに結合させてもよい。この場合、リング共振器６１及びリング共振器６２を、導波路１３ａ及び導波路１３ｂと同じ材料で作製すればよい。また、リング共振器に換えて、ディスク共振器を用いても同様の効果を得ることができる。

図６に示すマッハ・ツェンダ干渉計６００の構成は例示であり、リング共振器を片方のアーム部にのみ結合させた構成をとることも可能である。

図７に示すマッハ・ツェンダ干渉計７００の位相シフタは２つに限られず、いずれか一方のアームに１つだけ設けてもよい。

また、上述の実施の形態では、シリコン導波路を入射側に、異種材料からなる導波路を出射側に配置したが、この配置は逆であっても構わない。

また、上述の実施の形態１、２、５〜７は適宜組み合わせて用いることが可能である。例えば、マッハ・ツェンダ干渉計１００又は２００の一方のアームあるいは両方のアームに、適宜リング共振器及び位相シフタのいずれか一方又は両方を配置することが可能である。

上記の実施の形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。

（付記１）入射光から分波された分波光を通過させる第１のアーム部及び第２のアーム部を備え、前記第１のアーム部及び前記第２のアーム部は、第１の導波路と、前記第１の導波路よりも幅が広い第２の導波路と、一端が前記第２の導波路の一端と光学的に接続され、前記第１の導波路及び前記第２の導波路とは異なる材料からなる第３の導波路と、を備え、前記第１の導波路の一端は、前記第２の導波路の他端又は前記第３の導波路の他端と光学的に接続される、マッハ・ツェンダ干渉計。

（付記２）前記第１のアーム部の前記第２の導波路の長さから前記第２のアーム部の前記第２の導波路の長さを減じて得られる値に前記第２の導波路の等価屈折率の温度変化率を乗じて得られる値に、前記第１のアーム部の前記第３の導波路の長さから前記第２のアーム部の前記第３の導波路の長さを減じて得られる値に前記第３の導波路の等価屈折率の温度変化率を乗じて得られる値を加えた値は、０であることを特徴とする、付記１に記載のマッハ・ツェンダ干渉計。

（付記３）前記第２の導波路と前記第３の導波路とは重複して形成され、重複部分の前記第２の導波路の幅は、光の伝搬方向に沿って徐々に細くなることを特徴とする、付記１又は２に記載のマッハ・ツェンダ干渉計。

（付記４）前記第２の導波路は、前記第１の導波路へ向けて徐々に細くなることを特徴とする、付記１乃至３のいずれかに記載のマッハ・ツェンダ干渉計。

（付記５）前記第２の導波路は、前記第３の導波路へ向けて徐々に細くなることを特徴とする、付記１乃至４のいずれかに記載のマッハ・ツェンダ干渉計。

（付記６）前記第１のアーム部の前記第１の導波路の光路長は、前記第２のアーム部の前記第１の導波路の光路長と同じであることを特徴とする、付記１乃至５のいずれかに記載のマッハ・ツェンダ干渉計。

（付記７）前記第１の導波路及び前記第２の導波路はシリコンからなり、前記第３の導波路は、酸化シリコン又は窒化シリコンからなることを特徴とする、付記１乃至６のいずれかに記載のマッハ・ツェンダ干渉計。

（付記８）前記第１のアーム部の前記第１の導波路に光結合され、前記第１の導波路と同じ材料からなる第１のリング共振器を更に備えることを特徴とする、付記１乃至７のいずれかに記載のマッハ・ツェンダ干渉計。

（付記９）前記第１の値と前記第２の値との和が０であることを特徴とする、付記８に記載のマッハ・ツェンダ干渉計。

（付記１０）前記第２のアーム部の前記第１の導波路に光結合され、前記第１の導波路と同じ材料からなる第２のリング共振器を更に備えることを特徴とする、付記８又は９に記載のマッハ・ツェンダ干渉計。

（付記１１）前記第１のアーム部の前記第３の導波路に光結合され、前記第３の導波路と同じ材料からなる第１のリング共振器を更に備えることを特徴とする、付記１乃至７のいずれかに記載のマッハ・ツェンダ干渉計。

（付記１２）前記第１の値と前記第２の値との和が０であることを特徴とする、付記１１に記載のマッハ・ツェンダ干渉計。

（付記１３）前記第２のアーム部の前記第３の導波路に光結合され、前記第３の導波路と同じ材料からなる第２のリング共振器を更に備えることを特徴とする、付記１１又は１２に記載のマッハ・ツェンダ干渉計。

（付記１４）前記第１のアーム部の前記第１の導波路上に挿入され、前記第１の分波光の位相をシフトさせる第１の位相シフタを更に備えることを特徴とする、付記１乃至１３のいずれかに記載のマッハ・ツェンダ干渉計。

（付記１５）前記第２のアーム部の前記第１の導波路上に挿入され、前記第２の分波光の位相をシフトさせる第２の位相シフタと、を更に備えることを特徴とする、付記１乃至１４のいずれかに記載のマッハ・ツェンダ干渉計。

（付記１６）付記１乃至１５のいずれか一項に記載のマッハ・ツェンダ干渉計を複数備え、複数の前記マッハ・ツェンダ干渉計が、入射ポートと出射ポートとの間に並列に接続されていることを特徴とする、光変調器。

（付記１７）入射ポートと出射ポートとの間に並列に接続された複数の導波路を備え、前記複数の導波路のそれぞれは、第１の導波路と、前記第１の導波路よりも幅が広い第２の導波路と、一端が前記第２の導波路の一端と光学的に接続され、前記第１の導波路及び前記第２の導波路とは異なる材料からなる第３の導波路と、を備え、前記第１の導波路の一端は、前記第２の導波路の他端又は前記第３の導波路の他端と光学的に接続され、前記複数の導波路の前記第１の導波路のそれぞれの光路長が等しく、前記複数の導波路の前記第２の導波路のそれぞれの光路長が異なり、前記複数の導波路の前記第３の導波路のそれぞれの光路長が異なる、アレイ導波路回折格子。

（付記１８）第１のアーム部及び第２のアーム部に第１の導波路を形成する工程と、前記第１の導波路よりも幅が広い第２の導波路を形成する工程と、前記第１の導波路及び前記第２の導波路とは異なる材料からなる第３の導波路を、一端を前記第２の導波路の一端と接続して形成する工程と、を備え、前記第１の導波路の一端は、前記第２の導波路の他端又は前記第３の導波路の他端と光学的に接続される、マッハ・ツェンダ干渉計の製造方法。

１０ａ、１０ｂ、２０ａ、２０ｂアーム部
１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ、４１ａ〜４１ｆシリコン細線導波路
１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂ、４２ａ〜４２ｆシリコン導波路
１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ、４３ａ〜４３ｆ導波路
１５、２５、３１、４５入射ポート
１６、１７、２６、２７３ｄＢ分岐導波路
１８、２８、３２、４８出射ポート
３３バランス型フォトダイオード
４０ａ〜４０ｆ導波路
４６、４７スラブ部
５１、６１、６２リング共振器
７１、７２位相シフタ
１００、２００、３０１、３０２、５００、６００、７００マッハ・ツェンダ干渉計
３００光変調器
４００ＡＷＧ

Claims

入射光から分波された分波光を通過させる第１のアーム部及び第２のアーム部を備え、
前記第１のアーム部及び前記第２のアーム部は、
第１の導波路と、
前記第１の導波路よりも幅が広く、等価屈折率の温度変化率が正である材料からなる第２の導波路と、
一端が前記第２の導波路の一端と光学的に縦続接続され、等価屈折率の温度変化率が正であり、かつ、前記第１の導波路及び前記第２の導波路とは異なる材料からなる第３の導波路と、を備え、
前記第１の導波路の一端は、前記第２の導波路の他端又は前記第３の導波路の他端と光学的に縦続接続され、
前記第１のアーム部の前記第２の導波路の長さから前記第２のアーム部の前記第２の導波路の長さを減じて得られる値に前記第２の導波路の等価屈折率の温度変化率を乗じて得られる値と、前記第１のアーム部の前記第３の導波路の長さから前記第２のアーム部の前記第３の導波路の長さを減じて得られる値に前記第３の導波路の等価屈折率の温度変化率を乗じて得られる値と、を加えた値が０となるように、前記第１のアーム部の前記第２の導波路の長さ及び前記第３の導波路の長さと、前記第２のアーム部の前記第２の導波路の長さ及び前記第３の導波路の長さと、が決定され、
前記第２の導波路は、前記第１の導波路へ向けて徐々に細くなり、
前記第１のアーム部の前記第１の導波路の光路長は、前記第２のアーム部の前記第１の導波路の光路長と同じであり、
前記第１の導波路及び前記第２の導波路はシリコンからなり、
前記第２の導波路は、前記第２の導波路を伝搬する光の単一モード条件を満たさない導波路である、
マッハ・ツェンダ干渉計。
前記第１〜第３の導波路は、光の進行方向に縦続接続される、
請求項１に記載のマッハ・ツェンダ干渉計。
前記第２の導波路と前記第３の導波路とは重複して形成され、
重複部分の前記第２の導波路の幅は、光の伝搬方向に沿って徐々に細くなることを特徴とする、
請求項１又は２に記載のマッハ・ツェンダ干渉計。
前記第２の導波路は、前記第３の導波路へ向けて徐々に細くなることを特徴とする、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のマッハ・ツェンダ干渉計。
前記第３の導波路は、酸化シリコン又は窒化シリコンからなることを特徴とする、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のマッハ・ツェンダ干渉計。
前記第１のアーム部の前記第１の導波路に光結合され、前記第１の導波路と同じ材料からなる第１のリング共振器を更に備えることを特徴とする、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のマッハ・ツェンダ干渉計。
入射ポートと出射ポートとの間に並列に接続された複数のアーム部を備え、
前記複数のアーム部のそれぞれは、
第１の導波路と、
前記第１の導波路よりも幅が広く、等価屈折率の温度変化率が正である材料からなる第２の導波路と、
一端が前記第２の導波路の一端と光学的に縦続接続され、等価屈折率の温度変化率が正であり、かつ、前記第１の導波路及び前記第２の導波路とは異なる材料からなる第３の導波路と、を備え、
前記第１の導波路の一端は、前記第２の導波路の他端又は前記第３の導波路の他端と光学的に接続され、
前記複数のアーム部の前記第１の導波路のそれぞれの光路長が等しく、
前記複数のアーム部の前記第２の導波路のそれぞれの光路長が異なり、
前記複数のアーム部の前記第３の導波路のそれぞれの光路長が異なり、
前記複数のアーム部のうちの第１のアーム部の前記第２の導波路の長さから前記複数のアーム部のうちの第２のアーム部の前記第２の導波路の長さを減じて得られる値に前記第２の導波路の等価屈折率の温度変化率を乗じて得られる値と、前記第１のアーム部の前記第３の導波路の長さから前記第２のアーム部の前記第３の導波路の長さを減じて得られる値に前記第３の導波路の等価屈折率の温度変化率を乗じて得られる値と、を加えた値が０となるように、前記第１のアーム部の前記第２の導波路の長さ及び前記第３の導波路の長さと、前記第２のアーム部の前記第２の導波路の長さ及び前記第３の導波路の長さと、が決定され、
前記第２の導波路は、前記第１の導波路へ向けて徐々に細くなり、
前記第１のアーム部の前記第１の導波路の光路長は、前記第２のアーム部の前記第１の導波路の光路長と同じであり、
前記第１の導波路及び前記第２の導波路はシリコンからなり、
前記第２の導波路は、前記第２の導波路を伝搬する光の単一モード条件を満たさない導波路である、
アレイ導波路回折格子。
第１のアーム部及び第２のアーム部に第１の導波路を形成する工程と、
前記第１の導波路よりも幅が広く、等価屈折率の温度変化率が正である材料からなる第２の導波路を形成する工程と、
等価屈折率の温度変化率が正であり、かつ、前記第１の導波路及び前記第２の導波路とは異なる材料からなる第３の導波路を、一端を前記第２の導波路の一端と縦続接続して形成する工程と、を備え、
前記第１の導波路の一端は、前記第２の導波路の他端又は前記第３の導波路の他端と光学的に接続され、
前記第１のアーム部の前記第２の導波路の長さから前記第２のアーム部の前記第２の導波路の長さを減じて得られる値に前記第２の導波路の等価屈折率の温度変化率を乗じて得られる値と、前記第１のアーム部の前記第３の導波路の長さから前記第２のアーム部の前記第３の導波路の長さを減じて得られる値に前記第３の導波路の等価屈折率の温度変化率を乗じて得られる値と、を加えた値が０となるように、前記第１のアーム部の前記第２の導波路の長さ及び前記第３の導波路の長さと、前記第２のアーム部の前記第２の導波路の長さ及び前記第３の導波路の長さと、が決定され、
前記第２の導波路は、前記第１の導波路へ向けて徐々に細くなり、
前記第１のアーム部の前記第１の導波路の光路長は、前記第２のアーム部の前記第１の導波路の光路長と同じであり、
前記第１の導波路及び前記第２の導波路はシリコンからなり、
前記第２の導波路は、前記第２の導波路を伝搬する光の単一モード条件を満たさない導波路である、
マッハ・ツェンダ干渉計の製造方法。