JP6734715B2 - Optical circuit - Google Patents
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Description
本発明は、光回路に関する。より詳細には、光干渉特性を制御できる干渉型光導波路を有する光回路に関する。 The present invention relates to optical circuits. More specifically, the present invention relates to an optical circuit having an interference type optical waveguide capable of controlling optical interference characteristics.
光ファイバを伝送媒体とする光通信技術は、信号の伝送距離の長延化をもたらし、大規模な光通信網が構築されてきた。近年の通信トラフィックの爆発的な増大とともに、光通信で使用される光デバイスにも、より高性能化とより低コスト化が求められている。 The optical communication technology using an optical fiber as a transmission medium has prolonged the transmission distance of signals, and a large-scale optical communication network has been constructed. With the explosive increase in communication traffic in recent years, higher performance and lower cost are demanded for optical devices used in optical communication.
マッハツェンダ干渉計導波路に代表される、光の干渉効果を利用する干渉型光導波路は、光デバイスの中の重要な構成要素の１つである。マッハツェンダ干渉計（Mach-Zehnder Interferometer:以下ＭＺＩ）は、分波回路（光合波器）によって光を２分岐させて、アーム導波路と呼ばれる別々の導波路を導波させ、さらに分岐された光を光合波器で再び合波させる構成を持つ。異なるアーム導波路を伝搬して合波される２つの光波の位相差によって、光合波器から出力される光の強度や位相が変化する。光合波器が複数の出力導波路を有している場合には、光が出力される導波路を変化させることもできる。尚、光分波器と光合波器は、光信号が伝搬する向きが異なるだけで同一の構成のデバイスで実現可能であって、光カプラとも呼ばれる。 An interference type optical waveguide, which is represented by a Mach-Zehnder interferometer waveguide and utilizes the interference effect of light, is one of important components in an optical device. Mach-Zehnder Interferometer (MZI) splits light by a demultiplexing circuit (optical multiplexer) into two waveguides called arm waveguides, and further splits the branched light. It has a configuration to re-combine with an optical multiplexer. The intensity or phase of the light output from the optical multiplexer changes depending on the phase difference between the two light waves that are propagated through different arm waveguides and combined. When the optical multiplexer has a plurality of output waveguides, the waveguide from which light is output can be changed. The optical demultiplexer and the optical multiplexer can be realized by devices having the same configuration except that the propagation directions of optical signals are different, and are also called optical couplers.
上述のＭＺＩの基本動作を利用することによって、非特許文献１に開示されているように、２つの光波の位相を外部信号によって変化させて、出力光の状態を制御することができる。また、非特許文献２に開示されているように、アーム導波路の位相特性に強い波長依存性や偏光依存性を持たせることによって、ＭＺＩを波長制御素子や偏光制御素子として用いることもできる。
By utilizing the basic operation of MZI described above, as disclosed in
上述のように、通常ＭＺＩは２つのカプラと２つのアーム導波路からなるが、非特許文献３に開示されているように、その他の干渉型の素子として光カプラが１つの場合もあるし、アーム導波路が３つ以上の場合もある。このようなＭＺＩを用いて光回路における様々な信号処理機能を実現できるが、ここでは、一例として波長フィルタを考えてみる。 As described above, the MZI is usually composed of two couplers and two arm waveguides, but as disclosed in Non-Patent Document 3, there may be one optical coupler as another interference type element, There may be three or more arm waveguides. Although various signal processing functions in an optical circuit can be realized by using such MZI, a wavelength filter will be considered here as an example.
図１は、ＭＺＩを利用した波長フィルタの構成を示した概念図である。光回路１０は、ＭＺＩによる波長フィルタであって、１つの入力ポート１と、光分波器２と、アーム導波路３−１、３−２と、光合波器４と、２つの出力ポート５−１、５−２を持つ。入力ポート１および出力ポート５−１、５−２は、いずれも導波路で構成することができる。図１における各要素の形状は、実際のデバイスの上の形状とは異なる点に留意されたい。図１の波長フィルタにおいて、入力ポート１に入力された異なる波長成分の光を、出力ポート５−１、５−２の異なる出力ポートにそれぞれ出力する波長フィルタの設例を考える。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration of a wavelength filter using MZI. The
入力ポート１に入力された光は、出力ポート５−１、５−２から出力されるが、２本のアーム導波路３−１、３−２の長さが異なる場合、光合波器４に入力される２つの光線の相対的な位相関係が波長依存性を持つ。例えば図１に示したように、アーム導波路３−２の方がアーム導波路３−１よりもΔＬだけ長い場合、光合波器４に入力される２つの光線の相対的な位相関係は波長に依存し、出力ポート５−１、５−２から出力される２つの光の光強度比が入力波長によって変化する。特に入力波長とΔＬが特定の関係にある時、入力光の１００％が２本のアーム導波路３−１、３−２のうちの一方アーム導波路の側のみから出力されるように設計できる。このとき、理想的な特性を持つ光分波器、光合波器であれば、他方のアーム導波路側からは光は０％となる。すなわち、ＭＺＩによる光回路１０は光フィルタとして機能することになる。
The light input to the
しかしながら、ＭＺＩを利用した波長フィルタを構成する場合、図１から明らかなように、一方のアーム導波路を所定の長さΔＬの分だけ長くしなければならない。異なる長さの２つ上のアーム導波路を備える光回路では、目的とする機能や条件によって、２本のアーム導波路の配置が、デバイスを設計する際の幾何的な制約となり、光集積回路を設計する際の設計自由度を大きく制限する場合がある。例えば、非特許文献４のような遅延機能を含むパケット信号処理を行うような光回路では、アーム導波路の配置が問題となる。 However, when constructing a wavelength filter using MZI, one arm waveguide must be lengthened by a predetermined length ΔL, as is apparent from FIG. In an optical circuit having two upper arm waveguides of different lengths, the arrangement of the two arm waveguides becomes a geometric constraint when designing a device, depending on the intended function or condition, and the optical integrated circuit. There are cases in which the degree of freedom in designing is greatly limited. For example, in an optical circuit such as Non-Patent Document 4 that performs packet signal processing including a delay function, the arrangement of arm waveguides becomes a problem.
またΔＬが設計段階で一旦決まり、光回路の素子の特性が固定されてしまえば、その後の製造時における作製条件の揺らぎによって実際の素子特性値と設計値との間に差異やばらつきが生じてしまっても、その差異やばらつきを補正・修正することは難しい。このように、２本以上のアーム導波路を含む光回路において、一旦実際のデバイスを作製した後で干渉特性を簡単に変更したり、調整したりするのは難しかった。 Further, once ΔL is determined at the design stage and the characteristics of the elements of the optical circuit are fixed, variations or fluctuations between the actual element characteristic values and the design values may occur due to fluctuations in the manufacturing conditions during subsequent manufacturing. Even if it happens, it is difficult to correct/correct the difference or variation. As described above, in an optical circuit including two or more arm waveguides, it is difficult to easily change or adjust the interference characteristics after manufacturing an actual device once.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、干渉型光導波路のアーム導波路の材料や幾何的な形状を変えずに、その干渉特性を制御する新規な光回路の構造および光干渉特性の制御方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to control the interference characteristics of an arm waveguide of an interference type optical waveguide without changing the material or the geometrical shape of the arm waveguide. Another object of the present invention is to provide a novel optical circuit structure and a method for controlling optical interference characteristics.
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光信号の干渉を利用する光回路において、１つ以上の入力導波路と、前記入力導波路に接続された光合分波器と、前記光合分波器に接続された２つ以上のアーム導波路であって、各々のアーム導波路上の伝搬光が干渉光を生じる、２つ以上のアーム導波路と、を備え、前記２つ以上のアーム導波路の内の少なくとも１つのアーム導波路の上に、当該少なくとも１つのアーム導波路の少なくとも一部を覆う被膜領域をさらに備え、前記被膜領域を構成する被膜は、多層膜から形成され、前記多層膜を形成する各層は、異なる材料で形成されると共に、異なるエッチングレートであり、前記各層は、前記アーム導波路への応力制御用に選択的にエッチング除去されていることを特徴とする光回路である。 In order to achieve such an object, the present invention relates to an optical circuit utilizing interference of optical signals, wherein one or more input waveguides are connected to the input waveguides. An optical multiplexer/demultiplexer, and two or more arm waveguides connected to the optical multiplexer/demultiplexer, wherein the propagating light on each arm waveguide produces interference light. And further comprising a coating region that covers at least a part of the at least one arm waveguide on at least one arm waveguide of the two or more arm waveguides, and forms the coating region. coating is formed from a multi-layer film, each layer forming the multilayer film, while being formed of different materials, Ri different etching rates der, wherein each layer is selective for the stress control of the said arm waveguide The optical circuit is characterized by being removed by etching .
請求項２に記載の発明は、請求項１の光回路であって、被膜領域は、前記２つ以上のアーム導波路の内の１つの導波路上に、または、２つ以上の導波路上に渡って、複数箇所に構成されたことを特徴とする。
The invention according to
請求項３に記載の発明は、請求項２の光回路であって、前記複数箇所に構成された前記被膜領域において、１つの前記被膜領域は、他の前記被膜領域とは異なる材料によって、または、異なる層構成によって構成されたことを特徴とする。
The invention according to claim 3 is the optical circuit according to
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかの光回路であって、前記被膜領域を備えたアーム導波路を含む１つ以上のアーム導波路上に、対応する導波路のコア層へ電気信号を印加する電極をさらに備えたことを特徴とする。
The invention according to claim 4 is the optical circuit according to any one of
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかの光回路であって、前記被膜領域の内の少なくとも一部が除去されており、除去される前の状態の前記被膜領域の導波路屈折率と、除去された後の状態の前記被膜領域の導波路屈折率とが異なっていることを特徴とする。
The invention according to claim 5 is the optical circuit according to any one of
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかの光回路であって、前記被膜領域は、メサ構造を有する前記アーム導波路のメサ上面上および両側面上に形成されていることを特徴とする。
The invention according to claim 6 is the optical circuit according to any one of
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかの光回路であって、前記２つ以上のアーム導波路の導波路長が等しいことを特徴とする。
The invention described in claim 7 is the optical circuit according to any one of
以上説明したように、本発明により、干渉型光導波路のアーム導波路の材料や幾何的な形状を変えずに、その干渉特性を制御する新規な光回路の構造および干渉特性の制御方法が提供される。 As described above, according to the present invention, there is provided a novel structure of an optical circuit for controlling the interference characteristic without changing the material and geometrical shape of the arm waveguide of the interference type optical waveguide, and a method for controlling the interference characteristic. To be done.
本発明の光回路は、本発明の新規な構成の光導波路によって、この光導波路を含む干渉回路の干渉特性を、デバイスの作製後に容易に変えることができる。光回路の製造時の様々な作製条件のばらつきによって生じた干渉特性の誤差・ばらつきを調整することもできる。現在の光集積回路の製造プロセスに適合した構成で、光デバイスの製作工程に簡単に組み込むこともできる新しい光導波路の構成と、これを含む光回路を提供する。 With the optical waveguide of the present invention, the optical circuit of the present invention can easily change the interference characteristics of the interference circuit including the optical waveguide after the device is manufactured. It is also possible to adjust the error/variation in the interference characteristics caused by the variation in various manufacturing conditions at the time of manufacturing the optical circuit. Provided is a new optical waveguide structure having a structure adapted to the current manufacturing process of an optical integrated circuit, which can be easily incorporated in a manufacturing process of an optical device, and an optical circuit including the same.
本発明の光回路における光導波路は、導波路構造を覆う被膜領域を備えている。アーム導波路の少なくとも一方の少なくとも一部が被膜領域によって覆われており、この被膜領域の一部を除去することによって、ＭＺＩにおける干渉特性を調整する。この被膜領域は、一層で形成しても良いし、多層膜によって形成しても良い。被膜領域の形状、数や層構造は、アーム導波路毎に異なっていても良いし、同一のアーム導波路の中で異なっていても良い。以下、本発明の光導波路について詳細に説明する。最初に本発明の光回路における光導波路の、ベースとなる光導波路構造について説明する。 The optical waveguide in the optical circuit of the present invention includes a coating region that covers the waveguide structure. At least a part of at least one of the arm waveguides is covered with the coating region, and the interference characteristic in the MZI is adjusted by removing a part of the coating region. This coating region may be formed of a single layer or a multilayer film. The shape, number, and layer structure of the coating region may be different for each arm waveguide, or may be different within the same arm waveguide. Hereinafter, the optical waveguide of the present invention will be described in detail. First, the optical waveguide structure that serves as a base of the optical waveguide in the optical circuit of the present invention will be described.
図２は、本発明の光回路における被膜領域を有する光導波路のベースとなる構造を説明する図である。図２の（ａ）は、導波路メサを作製する前の基板面を垂直に切った断面を示す。光導波路は、半導体基板上に作製されたコア層およびクラッド層からなる層構造から作製される。図２の（ａ）では、基板の断面の一部を基板厚さ方向の層構造に着目して描いているので横方向に切れて描いているが、実際には図の横方向に層構造が続いている。具体的には、ＩｎＰ基板２１上に、コア層２２として総層厚が０．５μｍのＩｎＡｌＧａＡｓおよびＩｎＡｌＡｓによる多重量子井戸（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）層を形成し、さらにクラッド層２３としてＩｎＰ層が積層されている。基板２１の材料としては、ＩｎＰだけに限られず、導波路を構成可能なシリコンやガラスなどの他の材料であっても構わない。光を閉じ込めるコア層２２のＭＱＷ層は、フォトルミネッセント評価において１３８５ｎｍをピーク波長として発光する半導体組成を用いている。また、コア層２２へのＴＥ（Transverse Electric）モード光閉じ込め係数は、波長１．５５μｍ近傍で０．５とする。上述の層構造が作製された後で、破線の部分２４ａ、２４ｂをドライエッチングなどの工程により除去する。図２の（ｂ）は、エッチング工程の後で、メサ構造２５が作製された状態を示している。このメサ構造２５が、光導波路として機能する。次に、本発明の光回路の最も基本的な構成の実施形態１によって、光導波路の構造について説明する。
FIG. 2 is a diagram illustrating a structure serving as a base of an optical waveguide having a coating region in the optical circuit of the present invention. FIG. 2A shows a cross section obtained by vertically cutting the substrate surface before manufacturing the waveguide mesa. The optical waveguide is manufactured from a layered structure including a core layer and a clad layer manufactured on a semiconductor substrate. In FIG. 2A, a part of the cross section of the substrate is drawn by paying attention to the layer structure in the thickness direction of the substrate, so that the layer structure is drawn in the horizontal direction. It is continuing. Specifically, on the
実施形態１：
図３は、本発明の光回路の被膜領域を有する光導波路の構造を説明する概念図である。図３に示した光回路は、光回路が構成された基板面を見た上面図であるが、各要素の形状（パターン）は実際のデバイスとは異なっている点に留意されたい。本発明の光回路３０は、１つの入力ポート３１と、分波器３２と、２本のアーム導波路３３−１、３３−２と、合波器３４と、２つの出力ポート３５−１、３５−２を備えている点で、図１の従来技術のＭＺＩによる１×２ポート構成の波長フィルタと差異は無い。しかしながら、２本のアーム導波路３３−１、３３−２の長さが同じである点と、一方のアーム導波路３３−２の上が被膜領域３６で覆われている点で、従来技術の波長フィルタと相違している。次に、この被膜領域３６の詳細な構成について、Ａ−Ａ´線の基板断面の構造を説明する。
Embodiment 1:
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating the structure of an optical waveguide having a coating region of the optical circuit of the present invention. The optical circuit shown in FIG. 3 is a top view of the substrate surface on which the optical circuit is formed, but it should be noted that the shape (pattern) of each element is different from the actual device. The
図４は、本発明の実施形態１の光回路における導波路上の被膜領域の構造を説明する断面図である。図３のＡ−Ａ´線を含み光回路の基板面に垂直に切った断面を示す。図４に示した光回路は、２つのアーム導波路に対応するメサ構造４１−１、４１−２を持つ。各々のメサ構造は、図２に示したように、基板４４上に作製されたコア層４３−１、４３−２、クラッド層４２−１、４２−２から構成されている。本発明の光回路では、一方のアーム導波路に対応するメサ構造４１−２の全体を覆うように、第１の材料の被膜層４５および第２の材料の被膜層４６の２層からなる被膜領域が形成されている。一例として、第１の材料の被膜層４５としてＳｉＯＮを、第１の材料の被膜層４５の上に作製される第２の材料の被膜層４６としてＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）を選択することができる。図３および図４に示した構成では、被膜領域３６が２種類の異なる材料で構成された２層膜の構造のものとして説明としているが、１種類のみの材料からなる１層の被膜であっても構わない。
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the structure of the film region on the waveguide in the optical circuit according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along a line AA′ of FIG. The optical circuit shown in FIG. 4 has mesa structures 41-1 and 41-2 corresponding to two arm waveguides. As shown in FIG. 2, each mesa structure is composed of core layers 43-1 and 43-2 and clad layers 42-1 and 42-2 formed on the
基板がＩｎＰの場合、通常のメサ幅およびメサ高さは数μｍであり、本発明の光回路におけるＳｉＯＮおよびＢＣＢなどによる被膜領域（被膜層）は概ね被膜と呼んで良いものである。後述するように屈折率への変化を与えられる限り、材料によっては、メサ構造の高さまたは幅などの寸法と同程度に近づいても良い。したがって、本発明で言うところの被膜はかなり厚いものも含む。被膜領域を構成する材料としては、ＳｉＯＮおよびＢＣＢの他、例えばＳｉＯ2などがある。 When the substrate is InP, the usual mesa width and mesa height are several μm, and the film region (film layer) of SiON, BCB, etc. in the optical circuit of the present invention can be generally called a film. As long as a change in the refractive index is given as described later, depending on the material, the height may be close to the height or width of the mesa structure. Therefore, the coating as referred to in the present invention includes a considerably thick coating. Examples of the material forming the film region include SiON and BCB, as well as SiO 2 .
また、図３に示した本発明の実施形態１の光回路では、２本のアーム導波路の内の１本のアーム導波路３３−２上のみに１つの被膜領域３６が構成されているが、両方のアーム導波路３３−１、３３−２上にそれぞれ別個の被膜領域が構成されていても良い。また１本のアーム導波路上の複数箇所に渡って、複数の被膜領域を備えていても良い。さらに、２本以上のアーム導波路の複数箇所に渡って、複数の被膜領域を備えていても良い。また、各々の被膜領域の材料や層構成が全て同じであっても良いし、一部の被膜領域の材料や層構成が他の一部の被膜領域と異なっていても良い。
Further, in the optical circuit of the first embodiment of the present invention shown in FIG. 3, one
したがって、本発明の光回路は、光信号の干渉を利用する光回路において、１つ以上の入力導波路３１と、前記入力導波路に接続された第１の光合分波器３２と、前記第１の光合分波器に接続され、各々のアーム導波路上を光が伝搬する２つ以上のアーム導波路３３−１、３３−２と、前記２つ以上のアーム導波路と接続され、前記２つ以上のアーム導波路上の前記伝搬光から干渉光を生じる第２の光合分波器３４とを備え、前記２つ以上のアーム導波路の内の少なくとも１つのアーム導波路の上に、当該少なくとも１つのアーム導波路の少なくとも一部を覆う被膜領域３６をさらに備えた光回路として実施できる。
Therefore, in the optical circuit of the present invention, in the optical circuit utilizing the interference of optical signals, one or
また、図３に示した光回路は、２つの光合分波器を含むＭＺＩの標準的な回路構成であるが、非特許文献３のＦｉｇ.４（ｂ）のような反射型構成の光回路（反射型トランスバーサルフィルタ）では、１つの光合分波器だけで光干渉回路を構成できる。したがって、本発明の光回路は、光信号の干渉を利用する光回路において、１つ以上の入力導波路と、前記入力導波路に接続された光合分波器と、前記光合分波器に接続された２つ以上のアーム導波路であって、各々のアーム導波路上を伝搬光が干渉光を生じる、２つ以上のアーム導波路とを備え、前記２つ以上のアーム導波路の内の少なくとも１つのアーム導波路の上に、当該少なくとも１つのアーム導波路の少なくとも一部を覆う被膜領域をさらに備えた光回路としても実施できる。 Further, the optical circuit shown in FIG. 3 is a standard MZI circuit configuration including two optical multiplexers/demultiplexers, but an optical circuit of a reflection type configuration as shown in FIG. In the (reflection-type transversal filter), the optical interference circuit can be configured with only one optical multiplexer/demultiplexer. Therefore, the optical circuit of the present invention is an optical circuit that utilizes interference of optical signals, and has at least one input waveguide, an optical multiplexer/demultiplexer connected to the input waveguide, and an optical multiplexer/demultiplexer connected to the input waveguide. Two or more arm waveguides, wherein two or more arm waveguides, in which the propagating light causes interference light on each of the arm waveguides, It is also possible to implement it as an optical circuit further comprising, on at least one arm waveguide, a coating region that covers at least a part of the at least one arm waveguide.
本発明の光回路における被膜領域が形成された導波路には応力が加わる。一般に、固体材料に応力が加えられると、応力によって屈折率が変化する。本発明の光回路では、半導体メサ構造を覆うように構成された被膜領域によって、メサ構造で規定されている光導波路の屈折率を可変することができる。この屈折率の変化の程度は、被膜領域を構成する材料や、被膜領域の層構造によって変化する。したがって、被膜領域の適切な材料や層構成を選択し、一方のアーム導波路上に構成することによって、従来技術における２本のアーム導波路の導波路長差に対応する位相差を実現することができる。 Stress is applied to the waveguide in which the coating region is formed in the optical circuit of the present invention. Generally, when stress is applied to a solid material, the stress changes the refractive index. In the optical circuit of the present invention, the refractive index of the optical waveguide defined by the mesa structure can be changed by the film region configured so as to cover the semiconductor mesa structure. The degree of change in the refractive index changes depending on the material forming the coating region and the layer structure of the coating region. Therefore, it is possible to realize a phase difference corresponding to the waveguide length difference between the two arm waveguides in the prior art by selecting an appropriate material and layer configuration of the coating region and configuring it on one arm waveguide. You can
より具体的には、図３および図４に示した実施形態１の光回路では、上述のＳｉＯＮおよびＢＣＢの２層の被膜層からなる被膜領域により、メサ構造上に加工された半導体の格子定数はコンマ数％程度圧縮される。被膜領域による応力によってＭＱＷ層の光吸収スペクトルが変化するため、この変化に伴って屈折率が下がる。 More specifically, in the optical circuit of the first embodiment shown in FIGS. 3 and 4, the lattice constant of the semiconductor processed on the mesa structure is formed by the coating region formed of the two coating layers of SiON and BCB. Is compressed by a few percent. Since the light absorption spectrum of the MQW layer changes due to the stress caused by the film region, the refractive index decreases with this change.
従来技術でも、光導波路材料の形状を特定の形状に加工することによって、素子内の応力制御を図る手法は存在していた。例えば、特許文献１に開示されているように、ガラス導波路において、導波路を構成する下部クラッド層の厚さをコアの周辺を除いて薄くすることにより、光素子内部の応力を減少させている。しかしながら、このような手法では導波路を構成するための基板やクラッド層などの母体材料自体を加工する必要があるため、光回路の作製プロセスを複雑化してしまう。これに対して、本発明の光回路では、メサ構造の導波路を作製した上で、比較的簡単なプロセスで被膜領域（被膜層）を導波路上の任意の場所に作製することができる。また、被膜領域の形状や数、形成する位置、材料を柔軟に選択可能であって、さらに後述するような被膜領域を使った干渉特性の調整方法としても利用できる。
Even in the prior art, there has been a method of controlling the stress in the element by processing the shape of the optical waveguide material into a specific shape. For example, as disclosed in
図５は、本発明の実施形態１の光回路において、導波路のＭＱＷ層（コア層）への圧縮歪量および屈折率変化の波長依存性の計算例を示す図である。横軸に波長を、縦軸にＭＱＷ層の屈折率の変化量を示し、２種類のＭＱＷ構造の格子定数の圧縮率（０．１％、０．２％）の場合の計算例を示した。図５に示した屈折率変化量は、ＭＱＷ層における重い正孔、軽い正孔およびそれらのスピンを考慮した４バンドモデルによりＭＱＷ層の電子状態を求め、励起子吸収を含む吸収スペクトルを算出した上で、クラマース・クローニッヒの関係式より求めた。図５から明らかなように、圧縮応力の増加に共なって光の波長が１．５５μｍ近傍では、ＭＱＷ層の屈折率が低下していることがわかる。さらにこの屈折率変化に波長依存性があることから、ＭＱＷ層の群屈折率も変化することになる。 FIG. 5 is a diagram showing a calculation example of the amount of compressive strain on the MQW layer (core layer) of the waveguide and the wavelength dependence of the refractive index change in the optical circuit according to the first embodiment of the present invention. The abscissa indicates the wavelength and the ordinate indicates the amount of change in the refractive index of the MQW layer, and an example of calculation in the case of compression ratios (0.1%, 0.2%) of the lattice constants of two types of MQW structures is shown. .. The amount of change in the refractive index shown in FIG. 5 was obtained by calculating the electronic state of the MQW layer by a 4-band model considering heavy holes, light holes and their spins in the MQW layer, and calculating an absorption spectrum including exciton absorption. The above is obtained from the Kramers-Kronig relational expression. As is clear from FIG. 5, the refractive index of the MQW layer is lowered in the vicinity of the wavelength of light of 1.55 μm as the compressive stress increases. Furthermore, since the change in the refractive index has wavelength dependency, the group refractive index of the MQW layer also changes.
２本のアーム導波路の長さが等しく、群屈折率が異なるマッハツェンダ干渉計は一般に波長フィルタとして機能する。図３に示したような長さがＬで等しいアーム導波路３３−１、３３−２の群屈折率をそれぞれｎg1とｎg2とすると、光回路（ＭＺＩ）３０の１つの出力導波路に注目した際のＦＳＲ（Free Spectral Range）は周波数領域表示で、次式で表される。 A Mach-Zehnder interferometer in which two arm waveguides have the same length and different group refractive indexes generally functions as a wavelength filter. The indicated length such 3 is a group refractive index of the arm waveguide 33-1 and 33-2 equal in L When n g1 and n g2 respectively, into a single output waveguide of the optical circuit (MZI) 30 The FSR (Free Spectral Range) at the time of attention is expressed in the frequency domain and expressed by the following equation.
ここでｃは真空中での光の速さである。 Here, c is the speed of light in a vacuum.
図６は、Ｌ＝２５００μｍとして、図５の屈折率変化量に基づいて実施形態１のＭＺＩの光透過特性の計算例を示した図である。横軸に波長（μｍ）を、縦軸に実施形態１のＭＺＩの２本の出力導波路３５−１、３５−２からの正規化した光出力を示した。図６の光透過特性では、出力導波路１を見ると、１．５１μｍ（１５１０ｎｍ）および１．５６５μｍ（１５６５ｎｍ)にピークがあり、すなわちこの波長間隔で周期が一周しているので、ＦＳＲは５５ｎｍに対応する。式（１）からも示唆されるように、実施形態１のＭＺＩを構成する光回路３０の２本の出力ポート３５−１、３５−２からの光出力は入力光の波長によって変化していることが分かる。すなわち、本実施形態のＭＺＩ３０の２本のアーム導波路３３−１、３３−２の長さが同じであっても波長フィルタとして機能することが分かる。したがって、従来技術のように光回路における２本以上のアーム導波路の長さが同一であっても、光の干渉を利用することができる。
FIG. 6 is a diagram showing a calculation example of the light transmission characteristic of the MZI of the first embodiment based on the refractive index change amount of FIG. 5 when L=2500 μm. The horizontal axis shows the wavelength (μm), and the vertical axis shows the normalized optical output from the two output waveguides 35-1 and 35-2 of the MZI of the first embodiment. In the light transmission characteristics of FIG. 6, when the
前述のように、本発明の光回路の被膜領域の形状や形成する位置、材料を適切に選択することによって、光干渉を利用する光回路の機能・用途に応じて、所望の屈折率変化量を実現できる。２本以上のアーム導波路の長さが同一であっても良いので、２本のアーム導波路の配置をする場合にデバイスを設計する際の幾何的な制約が少なくなり、光集積回路を設計する際の設計自由度を制限しない。 As described above, by appropriately selecting the shape of the coating region of the optical circuit of the present invention, the position to be formed, and the material, a desired refractive index change amount can be obtained according to the function and application of the optical circuit utilizing optical interference. Can be realized. Since the lengths of two or more arm waveguides may be the same, geometrical restrictions when designing a device when arranging two arm waveguides are reduced, and an optical integrated circuit is designed. Do not limit the design freedom when doing.
次に、本発明の光回路を用いて、光干渉特性を調整する方法について説明する。本発明の光回路における被膜領域は、簡単に除去できるように作製可能なので、光回路を作製後に、被膜領域の形状を変える調整を行うことで、光干渉回路の干渉特性を変化させることができる。したがって、本発明は光回路の調整方法としての側面も持っている。 Next, a method of adjusting the optical interference characteristic using the optical circuit of the present invention will be described. Since the coating region in the optical circuit of the present invention can be manufactured so as to be easily removed, the interference characteristics of the optical interference circuit can be changed by adjusting the shape of the coating region after manufacturing the optical circuit. .. Therefore, the present invention also has an aspect as a method for adjusting an optical circuit.
実施形態２：
図７は、本発明の実施形態２の光回路において、被膜領域が調整された状態を示す図である。図７に示した光回路７０は、図３の実施形態１のＭＺＩと同一の構成を持いる。図３の構成との相違点は、図３に示した被膜領域３６を加工により一部除去し、調整された被膜領域７４としたところにある。図７に示したように、被膜領域７４は、その一部を何らかの方法によって除去することができる。図３に示した断面構造の被膜領域であれば、表層にある第１の材料の被膜層４５のみを除去することで、被膜領域７４の一部の組成が変わり、屈折率も変化する。除去される部分は、第２の材料の被膜層４６までに及んでも良い。図４に示した層構造では、例えば被膜領域の一部の領域で２層とも除去する場合、この除去された領域で、ＢＣＢ層が半導体導波路に与える影響が変化し、影響は小さくなる。したがって、ＭＺＩ７０の状態における光回路全体のフィルタ特性は、除去する前のＭＺＩ３０の光回路全体のフィルタ特性から変化する。すなわち、被膜領域であるＢＣＢ層の一部を除去する部分の加工形状によって、光回路全体のフィルタ特性が調整できる。
Embodiment 2:
FIG. 7 is a diagram showing a state in which the film region is adjusted in the optical circuit according to the second embodiment of the present invention. The
実際にメサ構造の上に作製された被膜領域を除去しながら光干渉特性を調整する方法としては、様々なものが考えられる。例えば、実施形態１のＭＺＩ３０の被膜領域３６の一部のＢＣＢを収束イオンエッチングや材料選択性のあるウェットエッチング等によりその全て、または一部を除去することができる。光回路の製造工程において、被膜領域３６の除去工程を光回路の調整工程の１つとして実施できる。例えば、光回路の所定の導波路に光を入力して、被膜領域３６を含む干渉回路からの出力干渉光のレベルをモニタリングしながら、導波路内の特定の箇所を収束イオンビームエッチングで加工することもできる。また、必ずしもリアルタイムで干渉光の状態のモニタリングを行わなくとも、一旦、干渉回路の光学特性を取得した後で、一定の誤差を許容して、一定量の被膜領域３６の既定の除去操作によってアーム導波路の特性を変化させれば良い場合もある。そのような場合は、フォトリソグラフィー工程を用いて、アーム導波路の特定の部位以外をレジストマスクで覆った上で、その箇所にプラズマによるドライエッチングや薬液によるウェットエッチングを使って、被膜領域３６を除去できる。
There are various possible methods for adjusting the optical interference characteristics while actually removing the film region formed on the mesa structure. For example, part or all of the BCB in the
この調整工程を実施した結果、本発明の光回路は、被膜領域の内の少なくとも一部が除去されており、除去される前の状態の前記被膜領域の導波路屈折率と、除去された後の状態の前記被膜領域の導波路屈折率とが異なっているものとなる。 As a result of carrying out this adjusting step, the optical circuit of the present invention is such that at least a part of the coating region is removed, and the waveguide refractive index of the coating region in a state before the removal and the waveguide refractive index after the removal are removed. In this state, the refractive index of the waveguide in the coating region is different.
このように本発明の光回路によって、アーム導波路の材料や幾何的な形状を変えずに、その干渉特性を制御することができる。２本以上のアーム導波路を含む光回路において、実際のデバイスを作製した後で干渉特性を簡単に変更したり、調整したりすることができる。光回路の製造時における作製条件の揺らぎによって実際の素子特性値と設計値との間に差異やばらつきが生じた場合でも、その差異やばらつきを補正・修正することが可能となる。 As described above, the optical circuit of the present invention makes it possible to control the interference characteristics of the arm waveguide without changing the material or the geometrical shape of the arm waveguide. In an optical circuit including two or more arm waveguides, the interference characteristics can be easily changed or adjusted after manufacturing an actual device. Even if there is a difference or variation between the actual element characteristic value and the design value due to fluctuations in the fabrication conditions at the time of manufacturing the optical circuit, the difference or variation can be corrected/corrected.
実施形態３：
上述の実施形態１〜２では、２本のアーム導波路を含む干渉型光導波路を波長フィルタとして用いる例を示した。干渉型光導波路は、光スイッチや光変調器など、光の状態を主に電気信号の外部信号により能動的に変化させる素子としてもしばしば利用される。本発明の光回路の被膜領域によって導波路への応力が加わると、図５に示した様な屈折率の変化だけでなく、電気光学特性も同時に変化する。
Embodiment 3:
In the above-described first and second embodiments, the example in which the interference type optical waveguide including the two arm waveguides is used as the wavelength filter is shown. The interference type optical waveguide is often used as an element such as an optical switch or an optical modulator that actively changes the state of light mainly by an external signal of an electric signal. When stress is applied to the waveguide by the coating region of the optical circuit of the present invention, not only the change in the refractive index as shown in FIG. 5 but also the electro-optical characteristics change at the same time.
図８は、本発明の実施形態３の光回路であって、複数のＭＺＩを集積化した光多値位相変調器の構成を示す上面図である。図８は光多値位相変調器８０の概念的な構成を示しており、デバイスでの実際のパターン形状、各要素間の相対的な寸法関係を正確に反映しているわけではない。ここでは、光多値位相変調器８０の機能・動作の詳細は説明をしない。光多値位相変調器８０は、図３に示した基本構成のＭＺＩが２組並列に配置され、さらに別のＭＺＩ内に入れ子になった構成を持つ。すなわち、分波器８３−１、２本のアーム導波路および合分波器８４−１で１つのＭＺＩが構成され、同様に、分波器８３−２、２本のアーム導波路および合分波器８４−２でもう一つのＭＺＩが構成されている。これらの２組のＭＺＩがさらに、分波器８２と、２本のアーム導波路と、合波器８５からなるＭＺＩ内に入れ子の状態で配置されている。ＭＺＩを含むこの光多値位相変調器８０においても、当然に、本発明の被膜領域を備えた導波路構成を適用できる。
FIG. 8 is an optical circuit of Embodiment 3 of the present invention, and is a top view showing a configuration of an optical multi-level phase modulator in which a plurality of MZIs are integrated. FIG. 8 shows a conceptual configuration of the optical
本実施形態の光回路では、さらに、各アーム導波路上に電気信号を印加できる複数の電極８８−１〜８８−６が構成されている。また、被膜領域は、分波器８３−１と合分波器８４−１の間の上側のアーム電極上に被膜領域８７ａが、分波器８３−２と合分波器８４−２の間の下側のアーム電極上に被膜領域８７ｂが、並びに、合分波器８４−１、８４−２と合波器８５の間の下側のアーム電極上に被膜領域８７ｃが、それぞれ構成されている。
In the optical circuit of this embodiment, a plurality of electrodes 88-1 to 88-6 capable of applying an electric signal are further formed on each arm waveguide. In the coating region, the
図９は、本発明の実施形態３の光多値位相変調器のＢ−Ｂ´線を含む断面構造を示す図である。尚、図８および図９の間で、導波路幅や電極幅の寸法関係は必ずしも正確には描いていないことに留意されたい。図９における４つのメサ構造の導波路は、図８の入れ子構造の変調器の内側にある４本のアーム導波路に対応する。各メサ構造の導波路は、基板９０上に構成されたコア層９２とクラッド層９１からなる。図９の最も左側にあるメサ構造の被膜領域８７ａは、第１の被膜層９３−１と第２の被膜層９３−２から成っている。また、図９の最も右側にあるメサ構造の被膜領域８７ｂは、１層の被膜層９４から成っている。
FIG. 9 is a diagram showing a cross-sectional structure including a line BB′ of the optical multilevel phase modulator according to the third embodiment of the present invention. It should be noted that the dimensional relationship between the waveguide width and the electrode width is not necessarily drawn accurately between FIGS. 8 and 9. The four mesa waveguides in FIG. 9 correspond to the four arm waveguides inside the nested modulator of FIG. The waveguide of each mesa structure is composed of a
このように、被膜領域が複数箇所に存在し、１つの箇所の被膜領域の構成や材料が、他の箇所の被膜領域の構成や材料と異なっていても良い。図８に示したように、必要に応じて幾つかの被膜領域の一部を除去して、光干渉特性を調整できる。本実施形態では、アーム導波路の内に少なくとも幾つかに、アーム導波路へ電気信号を印加する電極８８−１〜８８−４が設けられている。 As described above, the coating region may exist at a plurality of locations, and the configuration and material of the coating region at one location may differ from the configuration and material of the coating region at another location. As shown in FIG. 8, if necessary, some of the coating regions can be partially removed to adjust the optical interference characteristics. In this embodiment, at least some of the arm waveguides are provided with electrodes 88-1 to 88-4 for applying an electric signal to the arm waveguides.
被膜領域の状態によりアーム導波路への応力が変化するので、個々のアーム導波路の長さ、形状や材料が同一であっても、被膜領域を設けることによってアーム導波路毎にそれらの電気光学特性を個別に変化させることができる。さらに、被膜領域の一部を除去することによって、光回路の干渉特性を変化させることもできる。 Since the stress on the arm waveguides changes depending on the state of the coating region, even if the lengths, shapes, and materials of the individual arm waveguides are the same, by providing the coating region, the electro-optics of each arm waveguide can be improved. The characteristics can be changed individually. Furthermore, the interference characteristics of the optical circuit can be changed by removing a part of the coating region.
以上詳細に述べたように、本発明の光回路によって、アーム導波路の材料や幾何的な形状を変えずに、その干渉特性を制御することができる。２本以上のアーム導波路を含む光回路において、実際のデバイスを作製した後で干渉特性を簡単に変更したり、調整したりすることができる。 As described above in detail, the optical circuit of the present invention makes it possible to control the interference characteristics of the arm waveguide without changing the material or geometrical shape of the arm waveguide. In an optical circuit including two or more arm waveguides, the interference characteristics can be easily changed or adjusted after manufacturing an actual device.
本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムにおける光信号処理装置の光回路に利用できる。 The present invention can be generally used in communication systems. In particular, it can be used for an optical circuit of an optical signal processing device in an optical communication system.
１、３１、７１、８１ 入力ポート（入力導波路）
２、４、３２、３４、７２、７４、８２、８３−１、８３−２、８４−１、８４−２、８５ 光合分波器
３−１、３−２、３３−１、３３−２、７３−１、７３−２ アーム導波路
５−１、５−２、３５−１、３５−２、７５−１、７５−２、８６ 出力ポート（出力導波路）
１０、３０、７０ 光回路
２１、４４、９０ 基板
２２、４３−１、４３−２、９２ コア層
２３、４２−１、４２−２、９１ クラッド層
２５、４１−１、４１−２ メサ構造
３６、７４、８７ａ、８７ｂ、８７ｃ 被膜領域
４５、４６、９３−１、９３−２、９４ 被膜層
８０ 光多値位相変調器
８８−１〜８８−６ 電極
1, 31, 71, 81 Input port (input waveguide)
2, 4, 32, 34, 72, 74, 82, 83-1, 83-2, 84-1, 84-2, 85 Optical multiplexer/demultiplexer 3-1, 3-2, 33-1, 33-2 , 73-1, 73-2 arm waveguides 5-1, 5-2, 35-1, 35-2, 75-1, 75-2, 86 Output port (output waveguide)
10, 30, 70
Claims (7)
１つ以上の入力導波路と、
前記入力導波路に接続された光合分波器と、
前記光合分波器に接続された２つ以上のアーム導波路であって、各々のアーム導波路上の伝搬光が干渉光を生じる、２つ以上のアーム導波路と、を備え、
前記２つ以上のアーム導波路の内の少なくとも１つのアーム導波路の上に、当該少なくとも１つのアーム導波路の少なくとも一部を覆う被膜領域をさらに備え、
前記被膜領域を構成する被膜は、多層膜から形成され、
前記多層膜を形成する各層は、異なる材料で形成されると共に、異なるエッチングレートであり、
前記各層は、前記アーム導波路への応力制御用に選択的にエッチング除去されていることを特徴とする光回路。 In an optical circuit that utilizes the interference of optical signals,
One or more input waveguides,
An optical multiplexer/demultiplexer connected to the input waveguide,
Two or more arm waveguides connected to the optical multiplexer/demultiplexer, wherein the propagation light on each arm waveguide produces interference light,
Further comprising a coating region covering at least a part of the at least one arm waveguide on at least one arm waveguide of the two or more arm waveguides,
Coating constituting the coating region, it is formed from a multi-layer film,
Each layer forming the multilayer film, while being formed of different materials, Ri different etching rates der,
An optical circuit in which each of the layers is selectively etched away for controlling stress on the arm waveguide .
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