JP2003107260A

JP2003107260A - アレイ導波路格子素子

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Publication number: JP2003107260A
Application number: JP2002273817A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kamitoku; 正樹神徳; Hiroaki Sanjo; 広明三条; Hiromasa Tanobe; 博正田野辺; Yuzo Yoshikuni; 裕三吉國
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-09-19
Filing date: 2002-09-19
Publication date: 2003-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】ハイメサ導波路構造と埋め込み導波路構造を
接続することによって、ＬＤ／ＳＷ／Ｇａｔｅ／ＡＭＰ
／導波路型ＰＤなどとの集積が容易であり、また、光フ
ァイバーとの接続も容易となるアレイ導波路格子素子を
提供すること。【解決手段】アレイ導波路格子素子は、その一部もし
くは全領域がハイメサ導波路構造からなる、少なくとも
１本以上の入力導波路１、第１のスラブ領域２、アレイ
導波路３、第２のスラブ領域４とそのスラブ領域の終端
部に接続された少なくとも１本以上の出力導波路５から
構成されている。素子の入出力導波路１，５の双方にハ
イメサ／埋め込み導波路８ａ，８ｂの変換接続部を設
け、さらに、導波路のスポットサイズが通常のファイバ
ーと同程度に拡大するように導波路幅ｗ１のスラブ領域
側部分と導波路幅ｗ２の端面側部分とを移行部でつない
で導波路幅を細くすることにより、ファイバーとの接続
を容易にしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信、光交換、
光情報処理等に用いられる、アレイ導波路格子素子に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】光通信技術の高度化に伴い、大容量の通
信を実現するために、波長多重（ＷＤＭ）化された信号
を用いることが重要となってきている。こうした中、多
重化された光の中から、必要とする波長を任意に抽出し
たり（バンドパスフィルター）、必要な波長の信号のみ
分離したり、また逆に必要な波長の光を追加したり（波
長合分波器）、波長に応じて出力経路を変更することが
出来る（波長ルーター）機能を持つ素子は、ＷＤＭシス
テムの中では非常に重要な役割を果たす。アレイ導波路
格子素子はフィルター特性が急峻で高い消光比を有し、
規則的な周期性を持つ、また、多入力・多出力ポートの
構成であるので、容易に波長合分波器や波長ルーターを
構成できるなど、優れた特性を有しているため、ＷＤＭ
用集積部品の基本要素として期待されている。

【０００３】図１（ａ），（ｂ）は、従来のアレイ導波
路格子素子を示す図で、図１（ａ）はその上面図、図１
（ｂ）はＡ−Ａ′断面図である。図１（ａ）に示すよう
に、従来のアレイ格子素子は入力導波路１、第１のスラ
ブ導波路２、アレイ導波路３、第２のスラブ導波路４お
よび出力導波路５が順次接続された構成を持ち、（ｂ）
に断面を示すような半導体ハイメサ導波路構造を持つ。
図１（ｂ）において、１０は基板、１１は下クラッド
層、１２は活性層、１３は上クラッド層であり、上下ク
ラッド（ＩｎＰ）に挟まれた活性層（ＩｎＧａＡｓＰ）
からなるハイメサ構造が空気に囲まれた構造である。入
力導波路１には波長多重化信号（λ１，．．．λｎ）が
入力されるが、出力導波路５では特定の選択された波長
の信号（λ１，λ２，λ３）のみが出力される。このよ
うに半導体ハイメサ導波路構造を用いることにより、従
来の埋め込み導波路型と比較して、非常に小型の偏波無
依存フイルターが実現されており、その実用化が期待さ
れている。

【０００４】しかしながら、図１に示す従来のアレイ導
波路格子素子の構造は以下の３つの問題点を有してい
た。

【０００５】まず第１は、波長チューニングが困難であ
るという点である。バンドパスフィルター等の素子を作
製した場合、製造上の様々な要因によって、実際には素
子の波長特性が設計値からわずかにシフトした値となっ
てしまう。このため、所望の波長特性に設定するために
は、微小な波長チューニングが必要となっている。ハイ
メサ導波路構造を用いた場合、素子の小型化には非常に
適しているが、波長特性は、その導波路幅、クラッド層
厚などに大きく依存しているため、その制御性は一般に
埋め込み構造のアレイ導波路格子素子と比較してよくな
いという問題点を有していた。

【０００６】第２に、従来例のハイメサ導波路構造は半
導体ＬＤやＡＭＰやＳＷやＧａｔｅ等の、他の半導体導
波路型デバイスで一般的な埋め込み導波路とは導波路構
造が異なっており、接続する場合困難を有していた。

【０００７】図２（ａ），（ｂ）は、ハイメサ導波路と
埋め込み導波路の接続を説明する図で、図２（ａ）は上
面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ′断面図、図２
（ｃ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ′断面図である。図２に示
すように、埋め込み導波路部分Ｐ１とハイメサ導波路部
分Ｐ２が接続している。埋め込み導波路部分Ｐ１では、
下クラッド層１１，活性層１２および上クラッド層１３
からなる積層体が埋め込み層１４で埋め込まれている。
これに対して、ハイメサ導波路部分Ｐ２では該積層体の
両側はエッチング溝であり、該積層体の外表面は空気で
囲まれている。

【０００８】第３に、従来のハイメサ導波路構造におい
ては、通常のファイバーと比較してハイメサ導波路の光
学的なスポットサイズがかなり小さいために、ファイバ
ーと接続するためには先球ファイバーなど特殊な構造が
必要であり、また、接続時のトレランスも小さく、モジ
ュール化が困難であり、実用化の妨げとなっている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明においては、従
来のアレイ導波路格子素子の構造上の問題点である上記
３つの問題点を解決することを目的とする。すなわち、
ハイメサ導波路構造と埋め込み導波路構造を接続するこ
とによって、ＬＤ／ＳＷ／Ｇａｔｅ／ＡＭＰ／導波路型
ＰＤなどと集積が容易であり、また、光ファイバーとの
接続も容易となるアレイ導波路格子素子を提供すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の問題を解決するた
めに、請求項１記載のアレイ導波路格子素子は、入出力
導波路を接続したスラブ導波路をアレイ導波路の両端に
有した光導波路回路において、ハイメサ導波路構造と埋
込み導波路構造の接続により、入出力端を埋め込み導波
路構造とすることにより、埋め込み構造のスポットサイ
ズ変換を有することを特徴とする。

【００１１】請求項２記載のアレイ導波路格子素子は、
請求項１に記載の素子において、アレイ導波路の埋め込
み導波路もしくはハイメサ導波路部分に組成の異なる２
種以上の導波路を接続したことを特徴とする。

【００１２】一般に異種構造の導波路を接続した場合に
は、比較的大きな結合損失や反射などを生じるという問
題点を有しているが、各々の導波路の構造を最適化して
やれば、図２に示したようなハイメサ導波路と埋め込み
導波路の接続部における接続損失は１カ所あたり０．１
ｄＢ以下と非常に小さな値とすることができ、ハイメサ
導波路の特長、すなわち導波路の横方向を空気で閉じ込
められているために曲げ半径が小さくでき、素子の小型
化に適しているという特長と、埋め込み導波路の特長、
すなわち他の導波路型デバイスとの集積に適しており、
スポットサイズ等も変換しやすいという特長を両方とも
に引き出すことができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明によるアレイ導波路格子素
子を用いることにより、必要とされる波長特性を有し、
他の導波路デバイスと集積しやすく、モジュールを作製
しやすくできるため、安価なバンドパスフィルター／波
長合分波器／波長ルーター等を実現することが出来る。［実施例］以下に、実施例により本発明をさらに詳細に
説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されないこ
とはもちろんである。

【００１４】以下の実施例においては、活性層の組成と
してＩｎＧａＡｓＰを、上下クラッド層および埋め込み
層の組成としてＩｎＰを用いた。＜実施例１＞図３は、本発明の第１の実施例によるアレ
イ導波路格子素子を示す模式的上面図である。少なくと
も１本以上の入力導波路１、第１のスラブ領域（導波
路）２、アレイ導波路３、第２のスラブ領域（導波路）
４とそのスラブ領域の終端部に接続された少なくとも１
本以上の出力導波路５から構成されており、アレイ導波
路３の領域の一部（図中、三角形で囲んだ領域の導波路
部分）を埋め込み導波路構造６としたものである。この
部分は曲率半径の比較的大きい部分である。７はハイメ
サ導波路構造を総称的に示すものである。一般に埋め込
み導波路構造は導波路の横方向が空気で閉じ込められて
いるハイメサ導波路と比較して、横方向の比屈折率差が
小さく、導波路の曲げ半径を小さくすることができない
ので、小型化を図ることができない。図３に示したよう
に、導波路の曲げ部分をハイメサ導波路とすることによ
って、小型化を図ることができる。＜実施例２＞図４は、本発明の第２の実施例によるアレ
イ導波路格子素子を示す模式的上面図である。少なくと
も１本以上の入力導波路１、第１のスラブ領域２、アレ
イ導波路３、第２のスラブ領域４とそのスラブ領域の終
端部に接続された少なくとも１本以上の出力導波路５か
ら構成されており、アレイ導波路３もしくは入出力導波
路の一方もしくは両方の導波路の曲げ領域７ａ，７ｂ，
７ｃをハイメサ導波路とした構造となっている。本実施
例では、図５のようにアレイ導波路３のハイメサ構造７
ａ，７ｂ１，７ｂ２，７ｃの中央（７ｂ１と７ｂ２との
間）に埋め込み導波路６を挟み込む構造でも構わない。
以上にあげた構造は、従来のハイメサ導波路構造におけ
る第１の問題点の解決を図る素子である。

【００１５】

【非特許文献１】“ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＣｏｍ
ｐｅｎｓａｔｅｄＷａｖｅｇｕｉｄｅＧｒａｔｉｎｇ
ＲｏｕｔｅｒｏｎＩｎＰ”，Ｍ．Ｚｉｒｎｇｉｂ
ｌ．ｅｔａｌ．，ＥｌｅｃｔｒｏｎＬｅｔｔ．ｖｏ
ｌ．３１，ｐｐ．１６６２−１６６４（１９９５）上述した文献には、アレイ格子フィルター素子のＴＥモ
ードとＴＭモードの透過ピーク波長を個別に変化させる
ことができることを示している。しかし、この従来の構
造では作製した素子の波長チューニングはできるもの
の、導波路構造が埋め込み導波路構造であるために、素
子サイズが大きく実用上問題であった。本発明では、曲
げ導波路部分をハイメサ導波路とすることで素子の小型
化を図るとともに、埋め込み導波路６の全面もしく一部
の領域（チューニング領域）のＩｎＰ膜厚を制御する
（例えば、Δｄだけ膜厚を減少させる）ことによって、
波長チューニングを行うことができる。なお、図６
（ａ）〜（ｃ）において、図６（ａ）は、チューニング
領域を有する埋め込み導波路を備えたアレイ導波路格子
素子の上面図であり、図６（ｂ）は、波長チューニング
前の膜厚の状態を示す断面図、図６（ｃ）は、波長チュ
ーニング後の膜厚の状態を示す断面図である。

【００１６】以上の説明においては、特に言及しなかっ
たが、ハイメサ導波路および埋め込み導波路は組成の異
なる２種以上の導波路を接続していてもよい。

【００１７】特に、二つの組成からなる導波路で、第１
の組成の導波路の等価屈折率がｎ_１、第２の組成の導波
路の等価屈折率がｎ_２、ｉ番目のアレイ導波路の第１
の組成の導波路の長さがｌ_ｉ，１、第２の組成の導波
路の長さがｌ_ｉ，２、アレイ導波路格子の中心波長を
λ、回折次数をｍとして

【００１８】

【数１】

【００１９】という条件を満たすように素子を設計すれ
ば、素子の特性の温度無依存化を図ることができるた
め、耐環境性の素子として非常に重要度が増す。すなわ
ち

【００２０】

【数２】

【００２１】となるように設定してやればよい。

【００２２】ここに、

【００２３】

【数３】

【００２４】である。＜実施例３＞図７は、本発明の第３の実施例によるアレ
イ導波路格子素子を示す模式的上面図である。その一部
もしくは全領域がハイメサ導波路構造からなる、少なく
とも１本以上の入力導波路１、第１のスラブ領域２、ア
レイ導波路３、第２のスラブ領域４とそのスラブ領域の
終端部に接続された少なくとも１本以上の出力導波路５
から構成されたアレイ導波路格子素子において、素子の
入出力導波路部分にハイメサ／埋め込み導波路の変換接
続を行うことで、従来の構造の第２の問題点であった、
ＬＤ／ＡＭＰ／Ｇａｔｅ／ＳＷ／導波路型ＰＤ等の他の
半導体導波路型素子を容易に接続することが可能とな
る。図７には出力導波路５に埋め込み導波路構造８を接
続し、素子制御用電極９を埋め込み導波路構造８の表面
の一部に形成した。＜実施例４＞図８は、本発明の第４の実施例によるアレ
イ導波路格子素子を示す図で、（ａ）はその模式的上面
図、（ｂ）は素子の埋め込み部分の拡大図である。図８
に示すように、その一部もしくは全領域がハイメサ導波
路構造からなる、少なくとも１本以上の入力導波路１、
第１のスラブ領域２、アレイ導波路３、第２のスラブ領
域４とそのスラブ領域の終端部に接続された少なくとも
１本以上の出力導波路５から構成されたアレイ導波路格
子素子において、素子の入出力導波路１，５の双方にハ
イメサ／埋め込み導波路８ａ，８ｂの変換接続部を設
け、さらに、（ｂ）に示すように、導波路のスポットサ
イズが通常のファイバーと同程度に拡大するように導波
路幅ｗ１のスラブ領域側部分と導波路幅ｗ２の端面側部
分とを移行部でつないで導波路幅を細くすることによ
り、ファイバーとの接続を容易にしている。

【００２５】また、上述した実施例においては、得られ
る作用効果は材料系に依存しないため、特に言及しなか
ったが、ＩｎＰ系、ＧａＡｓ系、ＳｉＯ_２ガラス系を
はじめとして、光導波路とすることの出来る多くの材料
系に適用することが可能である。

【００２６】

【発明の効果】前述のように本発明のアレイ導波路格子
素子においては、簡易な構成で、素子の多機能化、経済
化を図ることができる。すなわち、他の導波路型デバイ
スとの集積も容易となり、アレイ導波路格子素子のモジ
ュール化を簡略化でき、大容量ＷＤＭシステム等で必要
とされる、波長依存性を利用する様々なアプリケーショ
ンにおける基本素子を安価に提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のアレイ導波路格子素子を示す図であり、
（ａ）は模式的上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ′断面
図である。

【図２】ハイメサ導波路と埋め込み導波路の接続構造を
説明する図であり、（ａ）は模式的上面図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ′断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ′断
面図である。

【図３】本発明の第１の実施例に従うアレイ導波路格子
素子の模式的上面図である。

【図４】本発明の第２の実施例に従うアレイ導波路格子
素子の模式的上面図である。

【図５】本発明の第２の実施例の変形例を示す上面図で
ある。

【図６】本素子の波長チューニングの方法を説明する図
であり、（ａ）は模式的上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−
Ａ′断面図であり、波長チューニング前の状態を説明
し、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ′断面図であり、波長チュ
ーニング後の状態を説明する。

【図７】本発明の第３の実施例に従うアレイ導波路格子
素子の模式的上面図である。

【図８】本発明の第４の実施例に従うアレイ導波路格子
素子を示す図であり、（ａ）は模式的上面図、（ｂ）は
（ａ）の一部の拡大図である。

【符号の説明】

１入力導波路２第１のスラブ領域（導波路）３アレイ導波路４第２のスラブ領域（導波路）５出力導波路６埋め込み導波路７，７ａ，７ｂ１，７ｂ２，７ｃハイメサ導波路構造８埋め込み導波路構造９素子制御用電極１０基板１１下クラッド層１２活性層１３上クラッド層１４埋め込み層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田野辺博正東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内 (72)発明者吉國裕三東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 2H047 KA03 KA12 LA01 LA19 MA05 MA07 TA32

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入出力導波路を接続したスラブ導波路を
アレイ導波路の両端に有した光導波路回路において、ハ
イメサ導波路構造と埋込み導波路構造の接続により、入
出力端を埋め込み導波路構造とすることにより、埋め込
み構造のスポットサイズ変換を有することを特徴とする
アレイ導波路格子素子。
【請求項２】前記アレイ導波路の埋め込み導波路もし
くはハイメサ導波路部分に組成の異なる２種以上の導波
路を接続したことを特徴とする請求項１に記載のアレイ
導波路格子素子。