JP2003207665A - 光導波路 - Google Patents
光導波路Info
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Abstract
ハイメサ形の光導波路を提供する。 【解決手段】 基板11と、基板11上に突出するよう
に設けられたアンダクラッド層12と、アンダクラッド
層12上に設けられてアンダクラッド層12よりも大き
い屈折率を有するコア層13と、コア層13上に設けら
れてコア層13よりも小さい屈折率を有するオーバクラ
ッド層14とを備えたハイメサ形の光導波路10におい
て、コア層13の厚さdcoreを0.4〜0.7μmに設
定し、アンダクラッド層12の厚さ(加工深さ)de を
1μm以下に設定した。
Description
光情報処理等に使用されるハイメサ形の光導波路に関す
る。
トラヒックの急増とそれに続く高度情報化社会の構築の
ため、大容量かつ柔軟なネットワーク構築が重要な課題
となっている。その要求に応えるべく波長多重(Wavele
ngth Division Multiplexing:WDM)技術等のような
光の優位性を活かした次世代光通信ネットワークに関す
る研究開発が各所で精力的に行われている。
現するには、スプリッタや波長合分波器、レーザやフォ
トダイオード等のような基本となる各種の受動光デバイ
スや能動光デバイスはもちろんのこと、これらの機能を
複合した高機能な光集積デバイスが必要である。
フォトダイオード、半導体光増幅器等のような機能の光
デバイスをモノリシック集積することができ、高機能な
光集積デバイスをワンチップで構成することが可能であ
るので、通信装置の小型化や低コスト化等を図ることが
でき、次世代光通信ネットワークを構成するキーエレメ
ントとして期待されている。
するには、半導体光導波路を用いてスプリッタや波長合
分波器等の受動光デバイスを構成する技術が必要であ
る。一般に、半導体は、石英系ガラス等のような他の材
料に比べて、伝播損失が大きく、偏波依存性が大きくな
る傾向を有するため、受動光デバイス用の光導波路の材
料にあまり適していないという問題があった。
造をハイメサ形とすることにより解決できることが判明
した(例えば、神徳正樹”ハイメサ導波路を用いた半導
体アレー導波路格子の研究”電子情報通信学会論文誌C-
I,vol.J82-C-I,no.10,pp.579-586(Oct.1999)等参照)。
ように、基板111上のアンダクラッド層112とオー
バクラッド層114との間にコア層113を設けた構造
をなし、コア層113の両側面が屈折率の小さな空気層
で覆われることから、横方向の光の閉じ込めを極めて強
くすることができる。
き、光素子のサイズを飛躍的に小型化することができる
ので、通常、伝搬損失が問題になることはほとんどない
だけでなく、その幅やコア層113の厚さを制御するこ
とにより、偏波依存性を解消することができる。
エピタキシャル成長による埋め込みを必要としないの
で、作製プロセスを簡単にすることができ、他の能動光
デバイスとのモノリシック集積に適しているという優位
な特徴を有している。
形の光導波路110は、受動光デバイス用や、受動光デ
バイスと能動光デバイスとをモノリシック集積した高機
能な光集積デバイス用として優れた特徴を有しているも
のの、高次の横モードが発生しやすいという問題があっ
た。高次モードの発生は、マッハ−ツェンダ干渉計やア
レイ導波路回折格子等のような光波回路において特性劣
化の要因となる。
導波路回折格子の透過波長特性を表すグラフである。図
7からわかるように、従来のハイメサ形の半導体アレイ
導波路回折格子は、本来必要な0次モードによる透過ピ
ークS0 の他に、高次モードの影響によるゴーストイメ
ージのピークSH が現れてしまう。
は、クロストークの要因となり、特性を著しく劣化させ
てしまう。このようなゴーストイメージのピークSH を
発生させる高次モードは、光ファイバと光導波路との接
続点や、直線導波路と曲がり導波路との接続点や、幅の
異なった導波路の接続点等のように、導波路の接続点で
主に励起され、回路の構造や光の入射条件等により、そ
の強度が種々異なっている。
は、クロストーク特性が極めて重要であり、実用化を図
るためには少なくとも20dB以上のクロストークを有
する必要があるものの、直線導波路と曲がり導波路との
接続部や、チャンネル導波路とスラブ導波路との接続部
や、中心から離れた入射ポートからの入射による斜め結
合等のように、高次モードの発生の要因となる多数の接
続点を有する構造をなしているため、高次モードの抑制
を図ることが実用化を図るのに必要不可欠な条件となっ
ている。
高次モードの問題は、今までも種々検討されている。例
えば、直線導波路と曲がり導波路とのオフセット量を最
適化する手段(例えば、T.Hirono et al.,"Optimized o
ffset to eliminate first-order mode excitation at
the junction of straight and curved multimode wave
guides",IEEE Photon. Technol. Lett.,vol.10,no.7,p
p.982-984(1998)等参照)や、アディアバティックな曲
がり導波路を利用する手段(例えば、C.K.Nadleret a
l.,"Polarization insensitive,low-loss,low-crosstal
k wavelength multiplexer modules",IEEE J.Selected
Topics in Quantum Electron.,vol.5,no.5,pp.1407-141
2(1999)等参照)や、導波路の一部に高次モードを除去
するフィルタを挿入する手段(例えば、特開平11−5
2149号公報等参照)等が挙げられる。
モードを光導波路の特定の箇所のみ抑制することができ
るものの、光導波路の全体で抑制することができないた
め、問題を根本的に解決することができなかった。
ドを全体的に抑制することができるハイメサ形の光導波
路を提供することを目的とする。
ための、第一番目の発明による光導波路は、基板上に突
出するように設けられたアンダクラッド層と、前記アン
ダクラッド層上に設けられて当該アンダクラッド層より
も大きい屈折率を有するコア層と、前記コア層上に設け
られて当該コア層よりも小さい屈折率を有するオーバク
ラッド層とを備えた凸状構造をなすハイメサ形の光導波
路において、前記コア層の厚さが0.4〜0.7μmに
設定され、前記アンダクラッド層の厚さが1μm以下に
設定されていることを特徴とする。
に突出するように設けられたアンダクラッド層と、前記
アンダクラッド層上に設けられて当該アンダクラッド層
よりも大きい屈折率を有するコア層と、前記コア層上に
設けられて当該コア層よりも小さい屈折率を有するオー
バクラッド層とを備えた凸状構造をなすハイメサ形の光
導波路において、基本モードの等価屈折率が前記基板の
屈折率よりも大きく設定され、高次モードの等価屈折率
が前記基板の屈折率よりも小さく設定され、高次モード
の伝播損失が、20dBを導波路長で除した値以上の大
きさに設定されていることを特徴とする。
に突出するように設けられたアンダクラッド層と、前記
アンダクラッド層上に設けられて当該アンダクラッド層
よりも大きい屈折率を有するコア層と、前記コア層上に
設けられて当該コア層よりも小さい屈折率を有するオー
バクラッド層とを備えた凸状構造をなすハイメサ形の光
導波路において、等価屈折率と前記アンダクラッド層の
厚さとの積が3.2μm以下に設定され、等価屈折率と
前記コア層の厚さとの積が2.3μm以下に設定され、
前記コア層と前記アンダクラッド層との比屈折率差が
3.5%以下に設定されていることを特徴とする。
目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記アンダ
クラッド層、前記コア層、前記オーバクラッド層が、半
導体材料からなることを特徴とする。
目の発明において、前記アンダクラッド層および前記オ
ーバクラッド層がInPからなり、前記コア層が組成波
長1.1μm以下となるInGaAsPからなることを
特徴とする。
態を図1を用いて説明する。図1は、光導波路の概略構
造図である。なお、本発明は以下に説明する実施の形態
に限定されるものではない。
イメサ形の光導波路10は、基板11と、基板11上に
突出するように設けられたアンダクラッド層12と、ア
ンダクラッド層12上に設けられてアンダクラッド層1
2よりも大きい屈折率を有するコア層13と、コア層1
3上に設けられてコア層13よりも小さい屈折率を有す
るオーバクラッド層14とを備えている。つまり、前記
クラッド層12,14は、コア層13よりも小さい屈折
率を有する、言い換えれば、コア層13は、前記クラッ
ド層12,14よりも大きい屈折率を有しているのであ
る。
る場合、通常、上記クラッド層12,14が基板11と
同じ材料からなる、すなわち、例えば、基板11がIn
Pの場合には上記クラッド層12,14にInPが使用
されるので、基板11をエッチング等により加工してア
ンダクラッド層12を形成することも可能である。ま
た、光導波路10にコーティングを施すようにしてもよ
い。
図1からわかるように、コア層13と基板11との間に
距離を有するようにアンダクラッド層12が基板11上
に設けられると共に、前記クラッド層12,14および
コア層13が基板11上に凸状に突出するような構造を
なしている。
層13の厚さdcoreが0.4〜0.7μmとなってお
り、アンダクラッド層12の厚さ、すなわち、加工深さ
de が1μm以下となっている。このようにコア層13
の厚さdcoreを0.4〜0.7μmとし、アンダクラッ
ド層12の加工深さde を1μm以下とすることにより
得られる本実施の形態のハイメサ形の光導波路10の作
用効果を以下に説明する。
ドが伝播モードとして存在すると共に、高次モードが放
射モードとして存在するように、各種パラメータの値が
設定される。具体的には、高次モードの等価屈折率が、
前記クラッド層およびコア層の両側面を覆っている空気
層よりも大きくなるように設定すると共に、基板の屈折
率よりも小さくなるように設定することにより、基板と
水平な方向に光を閉じ込めながらも、基板側に光を放射
できるようにしている。
よって、既に説明したゴーストイメージ等のような高次
モードの影響による特性の劣化を生じる場合がある。
厚さdcoreと基本モードの伝播損失との関係を表すグラ
フであり、コア層に組成波長1.05μmのInGaA
sP(波長1.55μmにおける屈折率3.254)を
使用し、クラッド層にInP(波長1.55μmにおけ
る屈折率3.168)を使用し、アンダクラッド層の加
工深さde を1.0μmとした場合の結果を示してい
る。
coreが0.4μmより小さくなると、基本モードの伝播
損失が急激に大きくなることから、コア層の厚さdcore
を0.4μm以上とする必要がある。
ドの伝播損失との関係は、前記クラッド層とコア層との
比屈折率差やアンダクラッド層の加工深さde によって
厳密には若干異なる。
ると、偏波無依存化が難しくなるので、クラッド層にI
nPを使用した場合、コア層に組成波長が1.1μmよ
り大きいInGaAsP(波長1.55μmにおける屈
折率3.285)を使用すると、実用性に欠けて、現実
的ではない。
大きくし過ぎると、結晶成長やエッチング等の作製プロ
セスに大きな負担を強いることになることから、アンダ
クラッド層の加工深さde を2μm以下にすることが現
実的である。
件を考慮しつつ、コア層の厚さdco reと基本モードの伝
播損失との関係を求めても、図2に示した特性に大きな
変化を生じることはないことから、コア層の厚さdcore
を0.4μm以上としても、実用化に特に問題を生じる
ことはない。
層にInPを使用した場合、コア層に組成波長が1.1
μmより大きいInGaAsP(波長1.55μmにお
ける屈折率3.285)を使用すると、実用性に欠け
て、現実的でない理由を説明する。
ア層の厚さdcoreを調整することにより、偏波依存性を
制御することができる。つまり、ハイメサ形の光導波路
の設計は、前記クラッド層およびコア層の材料とコア層
の厚さdcoreを決定した後に、偏波無依存となるように
幅を決定するのである。なお、前記クラッド層とコア層
との比屈折率差が非常に大きいような場合であっても、
偏波無依存とすることは理論上可能であるが、現実的に
は極めて困難である。
ける、導波路複屈折率Bの導波路幅に関する微分係数∂
B/∂wを比屈折率差Δの関数で表したグラフである。
ここで、コア層の屈折率をncore、クラッド層の屈折率
をncladとすると、比屈折率差Δを下記の式(1)で表
すことができ、基本モードのTEモードの等価屈折率を
neqTE、基本モードのTMモードの等価屈折率をneqTM
とすると、導波路複屈折率Bを下記の式(2)で表すこ
とができる。
きくなるほど、導波路複屈折率Bの導波路幅に関する微
分係数∂B/∂wが大きくなっていく、すなわち、導波
路幅の微小なずれが偏波依存性の要因となっている。偏
波依存性の許容可能な大きさは、用途によって異なる。
システムでは、チャンネル間隔が、200GHz、10
0GHz、50GHzのいずれかとするものが主流であ
ることから、最も条件が緩やかな200GHz用のアレ
イ導波路回折格子に適用する場合を考えると、偏波によ
る透過波長のずれΔλをチャンネル間隔の1/10、す
なわち、20GHz以内に抑制する必要がある。
Mモードの中心波長をλTMとすると、偏波による透過波
長のずれΔλを下記の式(3)で表すことができる。
長λと導波路の等価屈折率neqとの積で真空中の光の速
度cを除したファクタを導波路複屈折率Bに乗じること
によって概算することができる。このため、透過波長の
ずれΔλを20GHz以内に抑制するには、導波路複屈
折率Bを3×10-4以内にする必要がある。よって、導
波路幅wの作製誤差δwが下記の式(4)の条件を満た
すように調整しなくてはならない。
wの作製誤差δwを0.1μm程度にすることが十分に
可能である。しかしながら、これ以上の精度で再現性よ
く作製することは、プロセス技術上極めて難しい。この
ような条件を考慮し、作製誤差δwを0.1μmとすれ
ば、透過波長のずれΔλを20GHz以内に抑制する場
合には、上記式(4)から下記の式(5)が導出され
る。
から、導波路幅wを0.7μm以下とする必要があるの
で、これを考慮すれば、比屈折率差Δを3.5%以下と
しなければならないことが図3からわかる。
導波路を作製するには、実用上、前記クラッド層とコア
層との比屈折率差Δを3.5%以下、すなわち、前記ク
ラッド層をInPとした場合、コア層として組成波長が
1.1μm以下のInGaAsP(波長1.55μmに
おける屈折率3.285)を用いる必要がある。
厚さdcoreごとの、アンダクラッド層の加工深さde と
高次モードの伝播損失との関係を表すグラフであり、コ
ア層として組成波長1.05μmのInGaAsP(波
長1.55μmにおける屈折率3.254)、クラッド
層としてInP(波長1.55μmにおける屈折率3.
168)を用いた場合の結果を示している。
子等のような応用上重要な受動光デバイスの場合、導波
路長が2〜10mm程度となるため、実用上、最低限必
要な20dB以上のクロストークを確保するには、高次
モードの伝播損失を100dB/cm以上にする必要が
ある。
coreが0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.7μ
mの場合、アンダクラッド層の加工深さde をそれぞれ
1.4μm以下、1.0μm以下、0.8μm以下、
0.3μm以下にしなければならないことが図3からわ
かる。また、コア層の厚さdcoreが0.7μmを超える
と、高次モードの伝播損失を100dB以上にすること
が構造上難しくなることがわかる。
た場合、実用的には、組成波長を1.1μm(波長1.
55μmにおける屈折率3.285)以下とする必要が
あることを考慮すれば、図4に示した関係をアンダクラ
ッド層の加工深さde を決定する指針とすることができ
る。
増大させることなく高次モードの伝播損失を100dB
以上にすることにより、高次モードの影響による素子特
性の劣化を抑制するには、コア層の厚さdcoreを0.4
〜0.7μmとすると共に、アンダクラッド層の加工深
さde を1.0μm以下とする必要があることが判明し
た。
基本モードの損失増加要因となることなく高次モードの
伝播を著しく大きくする構造とすることにより、高次モ
ードの放射の強度を調整するようにしたのである。
路の構造を適用した半導体アレイ導波路回折格子の透過
波長特性を表すグラフであり、コア層として組成波長
1.05μmのInGaAsP、クラッド層としてIn
P、アンダクラッド層の加工深さde =0.5μm、導
波路幅w=2.6μmとした場合の結果を示している。
メサ形の光導波路の構造を適用した半導体アレイ導波路
回折格子によれば、0次モードによる透過ピークS0 の
みが現れ、図7に示した従来の半導体アレイ導波路回折
格子で現れた高次モードの影響によるゴーストイメージ
のピークSH を抑制することができるので、クロストー
クを大幅に改善することができ、特性を大幅に向上させ
ることができる。
使用する材料として重要なInP系の半導体材料を使用
した場合について説明したが、これ以外にも、例えば、
Si系やGaAs系の半導体材料や、石英等のガラス材
料や、ポリイミド等のポリマ材料や、ニオブ酸リチウム
等の誘導体結晶材料等のような他の材料を用いたハイメ
サ形の光導波路にも適用することができる。
以外の材料を適用する場合には、屈折率がInP系の半
導体材料の場合と異なるため、適用する材料の屈折率を
考慮して、コア層の厚さdcoreやアンダクラッド層の加
工深さde を換算する、すなわち、使用する波長の光が
実効的に感じる屈折率(等価屈折率)をコア層の厚さd
coreやアンダクラッド層の加工深さde に乗じて規格化
しておく。
しないように、光導波路の基本モードにおける等価屈折
率を基板の屈折率よりも大きくすると共に、光導波路の
高次モードの等価屈折率を基板の屈折率よりも小さく設
定し、さらに、高次モードによる影響を20dB以下に
抑制するため、高次モードの伝播損失が、導波路長で2
0dBを除した値以上の大きさとなるように、コア層の
厚さdcoreやアンダクラッド層の加工深さde を設定す
るのである。
導波路の等価屈折率との積が2.3[μm]以下となる
ように設定すると共に、アンダクラッド層の加工深さd
e と光導波路の等価屈折率との積が3.2[μm]以下
となるように設定し、さらに、偏波無依存化のため、コ
ア層と前記クラッド層との比屈折率差を3.5%以下と
なるように設定するのである。
P系の半導体材料以外の材料を適用する場合であって
も、本実施の形態の場合と同様にして適用することがで
きる。
常、クラッド層にInPを使用するため、本実施の形態
では、クラッド層にInPを使用したが、これ以外に
も、例えば、InPやInGaAsPに不純物をドーピ
ングしたり、組成波長を全体にシフトしたりすることに
より、屈折率を全体にシフトさせるようにしたハイメサ
形の光導波路にも同様に適用することができる。
クラッド層、オーバクラッド層をそれぞれ一層とした
が、本発明は、これに限らず、例えば、多重量子井戸構
造等のような積層構造であっても適用することができ、
本実施の形態の場合と同様な効果を得ることができる。
y P1-x (ただし、0≦x≦1,0≦x≦1)を単にI
nGaAsPと記載している。ここで、上記x,yは、
InPとの格子整合性やバンドギャップ等の条件により
適宜選定される値である。
の抑制により、良好な特性を発現させることができ、特
に、半導体アレイ導波路格子のクロストーク特性の向上
等を図ることができるので、半導体アレイ導波路格子
や、半導体アレイ導波路格子と能動光デバイスとをモノ
リシック集積した高機能モノリシック集積デバイス等の
ような波長多重通信システムの進展のための重要な光デ
バイスを得ることができる。
図である。
基本モードの伝播損失との関係を表すグラフである。
複屈折率Bの導波路幅に関する微分係数∂B/∂wを比
屈折率差Δの関数で表したグラフである。
との、アンダクラッド層の加工深さde と高次モードの
伝播損失との関係を表すグラフである。
用した半導体アレイ導波路回折格子の透過波長特性を表
すグラフである。
子の透過波長特性を表すグラフである。
Claims (5)
- 【請求項1】 基板上に突出するように設けられたアン
ダクラッド層と、 前記アンダクラッド層上に設けられて当該アンダクラッ
ド層よりも大きい屈折率を有するコア層と、 前記コア層上に設けられて当該コア層よりも小さい屈折
率を有するオーバクラッド層とを備えた凸状構造をなす
ハイメサ形の光導波路において、 前記コア層の厚さが0.4〜0.7μmに設定され、 前記アンダクラッド層の厚さが1μm以下に設定されて
いることを特徴とする光導波路。 - 【請求項2】 基板上に突出するように設けられたアン
ダクラッド層と、 前記アンダクラッド層上に設けられて当該アンダクラッ
ド層よりも大きい屈折率を有するコア層と、 前記コア層上に設けられて当該コア層よりも小さい屈折
率を有するオーバクラッド層とを備えた凸状構造をなす
ハイメサ形の光導波路において、 基本モードの等価屈折率が前記基板の屈折率よりも大き
く設定され、 高次モードの等価屈折率が前記基板の屈折率よりも小さ
く設定され、 高次モードの伝播損失が、20dBを導波路長で除した
値以上の大きさに設定されていることを特徴とする光導
波路。 - 【請求項3】 基板上に突出するように設けられたアン
ダクラッド層と、 前記アンダクラッド層上に設けられて当該アンダクラッ
ド層よりも大きい屈折率を有するコア層と、 前記コア層上に設けられて当該コア層よりも小さい屈折
率を有するオーバクラッド層とを備えた凸状構造をなす
ハイメサ形の光導波路において、 等価屈折率と前記アンダクラッド層の厚さとの積が3.
2μm以下に設定され、 等価屈折率と前記コア層の厚さとの積が2.3μm以下
に設定され、 前記コア層と前記アンダクラッド層との比屈折率差が
3.5%以下に設定されていることを特徴とする光導波
路。 - 【請求項4】 請求項1から請求項3のいずれかにおい
て、 前記アンダクラッド層、前記コア層、前記オーバクラッ
ド層が、半導体材料からなることを特徴とする光導波
路。 - 【請求項5】 請求項4において、 前記アンダクラッド層および前記オーバクラッド層がI
nPからなり、 前記コア層が組成波長1.1μm以下となるInGaA
sPからなることを特徴とする光導波路。
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