JP2003533896A - 複数の非対称導波路を有する光子集積検出器 - Google Patents

複数の非対称導波路を有する光子集積検出器

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ゴクヘイル，ミリンド・アール
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Abstract

(57)【要約】 垂直方向に積層した２つ以上の非対称導波路を備えた光子集積回路（ＰＩＣ）を提供する。光検出ＰＩＣは、外部光ファイバとの結合損失を低く抑え、第１モードの光を主に案内する第１結合導波路（１１４）と、第１導波路（１１４）に垂直に結合し、第１モードとは異なる有効屈折率を有する第２モードの光を主に案内する第２導波路（１１６）と、第２導波路（１１６）に垂直に結合した光検出器（１１８）とを備えている。結合導波路において受光した光は、第２導波路の側面テーパ（１１７）を通って、第２導波路に移動する。光検出ＰＩＣは、光増幅器を有し、結合導波路と第２導波路との間に位置する第３導波路を、更に備えることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （関連出願） 本願の主題は、２０００年５月１２日出願の"Twin Waveguide Based Design f
or Photonic Integrated Circuits"（二重導波路に基づく光子集積回路の設計）
と題する米国仮特許出願第６０／２０３，８４６号と関連があり、その内容はこ
の言及により全体が本願にも含まれることとする。
【０００２】 （発明の分野） 本発明は、一般的に、光通信デバイスの分野に関し、更に特定すれば、光子集
積回路に関する。
【０００３】 （発明の背景） 光子集積回路（ＰＩＣ：photonic integrated circuit）は、集積技術の一基
礎をなし、複雑な光回路を形成するために増々用いられている。ＰＩＣ技術によ
り、能動的および受動的双方の光デバイスを、単一の基板上に一体化することが
可能となる。例えば、ＰＩＣは、集積レーザ、集積受信器、導波路、検出器、半
導体光増幅器（ＳＯＡ：semiconductor optical amplifier)、ならびにそのほか
の能動および受動半導体光デバイスを構成することができる。ＰＩＣにおいて能
動および受動デバイスをモノリシックに一体化することにより、光通信に用いら
れる効果的な集積技術の基礎が得られる。
【０００４】 特に多様性が高いＰＩＣ基礎技術の１つに、集積二重導波路（ＴＧ：twin wav
eguide）構造がある。二重導波路は、消散場結合(evanescent field coupling)
を用いて、垂直指向カプラの形状寸法内に能動導波路および受動導波路を組み合
わせる。ＴＧ構造では、能動および受動デバイスを積層し製作する構造を形成す
るには、単一のエピタキシャル成長段部だけがあればよい。即ち、ＴＧがもたら
す基礎技術では、各々異なるレイアウトおよび構成要素を有する種々のＰＩＣを
、同一の母材ウエハから作成することが可能となる。成長後のパターニングを行
って、集積した構成要素を規定するため、エピタキシャル再成長の必要性がない
。加えて、ＴＧ系ＰＩＣにおける能動および受動構成要素は、成長後の処理ステ
ップにおいてＰＩＣ上でのデバイスの位置および種類を決定することによって、
別個に最適化することができる。
【０００５】 しかしながら、従来のＴＧ構造には、光モード間の相互作用のために、導波路
結合がデバイスの長さに強く依存するという欠点があった。レーザのようなＰＩ
Ｃデバイスでは、光モード間の相互作用のために、レーザ発生閾値電流や受動導
波路への結合を制御することができなくなってしまう。これは、デバイス構造自
体におけるばらつきに対する感度によるものである。感度のばらつきは、従来の
ＴＧ構造における伝搬の偶数および奇数モード間の相互作用によって生ずる。こ
の相互作用から、レーザ空乏内における構造的および破壊的干渉が生じ、デバイ
スの閾値電流、モード利得、結合効率、および出力結合パラメータに影響を及ぼ
す。また、従来のＴＧ構造では、デバイスの長さ、偶数／奇数モードの相互作用
、および積層構造におけるばらつきのために、性能特性における感度の不安定と
いう問題もある。
【０００６】 非対称二重導波路（ＡＴＧ：asymmetric twin waveguide）と呼ばれる、改良
型ＴＧ構造が、１９９９年６月２２日出願の"Twin Waveguide Based Design for
Photonic Integrated Circuits"（二重導波路に基づく光子集積回路の設計）と
題する米国特許出願第０９，３３７，７８５号に開示されている。その内容は、
この言及により全体が本願にも含まれることとする。これは、従来のＴＧ構造の
性能上の問題の一部について取り組んでいる。ＡＴＧ構造は、異なるモードの光
が異なる導波路内でのみ伝搬するように制限することにより、モード干渉を大幅
に減少させる。これを達成するには、二重導波路内に含まれる単一モード導波路
の各々を設計する際に、２つの導波路の各々を伝搬する光のモードが異なる有効
屈折率を有するようにする。非対称導波路の側面を漸減させれば、第１および第
２導波路間の光エネルギの共振または断熱(adiabatic)結合による結合損失を減
少させることができる。非対称導波路の設計により、光モード間の相互作用が大
幅に減少し、したがって従来のＴＧデバイスよりも著しく改善されたことが示さ
れる。
【０００７】 ＡＴＧが多様な基礎技術となることは確実である。実際、IEEE Photonic Tech
nology Letters の第１１巻、第９号（１９９９年９月）に発表された"Efficien
t Coupling in Integrated Twin-Waveguide Lasers Using Waveguide Tapers"（
導波路テーパを用いた集積二重導波路レーザにおける効率的な結合）と題する論
文において、本発明者らは、導波路を用いてレーザを集積する設計を提案してい
る。その内容は、この言及により本願にも含まれることとする。更に、IEEE Pho
tonic Tech. Lettersの第１２巻、第５号（２０００年５月）に発表された"Asym
metric Twin-Waveguide 1.55-μm Wavelength Laser with a Distributed Bragg
Reflector"（分散ブラッグ反射器を有する非対称二重導波路１．５５μｍ波長
レーザ）と題する論文において、本発明者らは、非対称二重導波路設計に基づく
レーザ・デバイスの設計について開示している。その内容は、この言及により本
願にも含まれることとする。
【０００８】 これらの開発においては、ＡＴＧ設計に対する将来性が示されているが、複雑
な回路を開発する必要性がなおも残っている。これは強く求められることが多い
が、今日までＰＩＣ技術では実現していない。即ち、能動および受動双方を含む
多数の光デバイスを単一の基板上に組み合わせるためのＰＩＣ基礎の改良が求め
られている。更に特定すれば、FiberSystems Internationalの２０００年６／７
月号に発表された、"Manufacturers Focus on the 40 Gbit/s Challenge"（製造
業者の目標は４０Ｇｂｉｔ／ｓへの挑戦）と題するNisa HhanおよびJim Rueによ
る論文に記載されているように、当技術分野には、高速検出器のような集積光子
デバイスを改良することも求められている。この論文の内容は、先の言及により
、本願にも含まれることとする。更に、光−光増幅器(photo-optical amplifier
)を検出器と一体化し、検出器の応答性を高めることも求められている。
【０００９】 （発明の摘要） 端的に言えば、本発明は、当技術分野におけるこれらおよびその他の要望に答
えるものである。
【００１０】 本発明の第１の態様によれば、非対称二重導波路光検出デバイスを提供する。
光検出ＰＩＣは、外部光ファイバとの結合損失を低く抑え、第１モードの光を主
に案内する第１結合導波路と、第１導波路に垂直に結合し、第１モードとは異な
る有効屈折率を有する第２モードの光を主に案内する第２導波路と、第２導波路
に垂直に結合した光検出器とを備えている。結合導波路において受光した光は、
第２導波路の側面テーパを通って、第２導波路に移動する。第２導波路に隣接す
る光検出デバイスは、消散結合によって、第２導波路内を伝搬する光を受光する
。
【００１１】 本発明の別の態様によれば、垂直方向に積層した非対称導波路を２つよりも多
く備えたＰＩＣデバイスを提供する。非対称導波路を２つよりも多く有するＰＩ
Ｃデバイスは、単一ウエハにおいて、様々な種類のデバイスを一体化可能にする
。例えば、１つの導波路を別のデバイスとの結合に用い、第２導波路を信号増幅
に用い、更に別の導波路を、増幅信号を別のデバイスに伝達するために用いるこ
とができる。２つを超えて非対称導波路の数を増加させると、考案可能なデバイ
スの数および種類が大幅に増える。
【００１２】 本発明の別の態様によれば、垂直方向に積層した非対称導波路を２つよりも多
く備えたＰＩＣデバイスの一実施形態を開示する。即ち、非対称導波路に基づき
、光増幅器を内部に一体化した光検出デバイスを提供する。この光検出デバイス
は、外部光ファイバとの結合損失を低く抑え、第１モードの光を主に案内するよ
うに設計した結合導波路と、第１導波路よりも高い有効屈折率を有する第２モー
ドの光を主に案内および増幅する第２導波路と、第２モードの光よりも高い有効
屈折率を有する第３モードの光を主に案内する第３導波路と、第３導波路に消散
的に結合した光検出器とを備えている。増幅／光検出ＰＩＣでは、光が結合導波
路に入射し、側面テーパを通って、光増幅器を備えた第２導波路に結合する。第
２導波路の長さにわたって光を増幅し、第２側面テーパを通って第３導波路に結
合する。第３導波路内を伝搬している間に、第３導波路に消散的に結合されてい
る光検出器によって光が吸収される。この増幅／光検出デバイスは、垂直方向に
積層した非対称導波路を２つよりも多く用いて考案可能な多くの種類のデバイス
の１つに過ぎない。
【００１３】 本発明による光検出器および増幅器／光検出器は、受信器の応答性を格段に向
上させる。実際、本発明による検出器は、少なくとも４０ＧＨｚまでのレートで
伝送する光信号を受信するように動作可能である。更に、検出器は、製造中に生
ずるばらつきにも耐性がある。したがって、本発明による光検出器および増幅／
光検出器は、商用光通信における使用に特に適している。
【００１４】 本発明のその他の態様については、以下で詳細に説明する。
【００１５】 （図面の簡単な説明） 本発明のその他の特徴は、現時点における本発明の好適な実施形態例について
、添付図面に関連付けて行う以下の詳細な説明から、一層明白となろう。
【００１６】 （発明の詳細な説明） 図１ないし図１３を参照しながら、本発明による現時点における好適な実施形
態例による、前述の効果的な特徴を有するシステムおよび方法について以下に説
明する。当業者には認められようが、これらの図面に関してここで与える説明は
、例示のみを目的とするのであり、本発明の範囲を限定する意図は全くない。本
発明の範囲に関する質問は全て、添付した特許請求の範囲を参照することによっ
て解明することができる。
【００１７】 概して言えば、本願は、モノリシックに集積した非対称導波路構造を対称とす
る。非対称二重導波路（ＡＴＧ）の設計については、１９９９年６月２２日出願
の"Twin Waveguide Based Design for Photonic Integrated Circuits"（二重導
波路に基づく光子集積回路の設計）と題する米国特許出願第０９／３３７，７８
５号に開示されている。その内容は、この言及により、全体が本願にも含まれる
こととする。一般に、ＡＴＧ設計は２つの導波路を用い、各導波路は、１つのモ
ードの光を主に案内するように設計されており、各モードは異なる有効屈折率を
有する。導波路の一方における側面テーパが、導波路間における光の結合を誘発
する。側面テーパは、第１導波路内を移動するあるモードの光の有効屈折率を、
主に第２導波路内を伝搬する第２モードに変化させる。この遷移は、テーパの長
さに沿って生じる。したがって、第１屈折率を有するモードの光は、テーパの開
始点において第２導波路内で伝搬し始め、テーパ領域の終点までに、有効屈折率
が高い第２モードの光に遷移することができる。これによって、このモードを本
質的に第２導波路内で伝搬するように固定することになる。
【００１８】 本願は、側面テーパを形成した、複数の垂直集積導波路を有するＰＩＣデバイ
スを対象とする。本発明の第１の態様によれば、複数の導波路の１つに消散的に
結合した光検出器を有する光検出ＰＩＣを提供する。第１導波路において受光し
た光は、第２導波路内の側面テーパを通って、第２導波路内に結合する。第２導
波路上にある光検出デバイスが、消散的結合によって、第２導波路内を伝搬する
光を受光する。こうして、第２導波路に消散的に結合した検出器によって、第１
導波路で受光した光を検出する。
【００１９】 図１Ａは、本発明の一態様による光検出デバイスの一例の斜視図を示す。図示
のように、モノリシックに集積した光検出ＰＩＣ１１０が基板１１２上に位置し
、第１導波路１１４、第２導波路１１６、および検出器１１８を備えている。光
検出ＰＩＣ１１０は、更に、ｎコンタクト１２０およびｐコンタクト１２２を備
えている。導波路１１４は、レンズ化(lensed)または劈開(cleaved)した単一モ
ード光ファイバからの結合損失を低く抑えるように設計されている。実施形態の
一例では、導波路１１４およびレンズ化または劈開光ファイバ間の結合損失は２
ｄＢ未満である。更に、導波路１１４の遠視野像角度は、垂直および水平方向双
方において、約１３度ないし１８度の間である。実施形態の一例では、導波路１
１４を構成する材料、およびこれら材料の相対的な厚さは、導波路１１４内で主
に伝搬する光のモードが約３．１７３ないし３．１７７の間の有効屈折率を有す
るように、選択する。
【００２０】 導波路１１６は、導波路１１４上に位置し、これと一体的に形成されている。
導波路１１６は、主に一方のモードの光を案内するように設計されており、この
モードの光は、導波路１１４内を伝搬するモードの光よりも、有効屈折率が大き
い。実施形態の一例では、導波路１１６内を伝搬するモードの光は、有効屈折率
が約３．２ないし３．２２の間である。導波路１１６は、導波路１１４から導波
路１１６への光の結合を改善するために側面テーパ・エリア１１７を有している
。実施形態の一例では、導波路１１４および導波路１１６間の結合損失は１ｄＢ
未満である。
【００２１】 検出器１１８は、導波路１１６上に位置し、これと一体的に形成されている。
実施形態の一例では、検出器１１８は、ｐ＋クラッディング層、ｎ＋整合層、お
よびＩｎＧａＡｓ吸収層から成る、ＰＩＮ型検出器である。実施形態の一例では
、８０％よりも多い光が光検出器の約３０μｍの範囲で吸収されるように、導波
路１１６および検出器１１８間の吸収係数を設定する。尚、実施形態の一例では
、検出器１１８が導波路１１６とは別個となっているが、検出器１１８を導波路
１１６内に一体化してもよいことを注記しておく。
【００２２】 光は、導波路１１４を通って光検出ＰＩＣ１１０に入射する。導波路１１４は
、例えば、光ファイバのような、他のデバイスに結合することができる。少なく
とも第１モードの光が導波路１１４を通って伝搬し、導波路１１６のテーパ部１
１７に到達すると、導波路１１６内を伝搬し始める。第１モードの有効屈折率は
、テーパ領域１１７の長さにわたって増大する。その結果、テーパ領域１１７の
幅広端に到達すると、テーパ内を伝搬した光は第２モードの光に遷移する。第２
モードの光は主に導波路１１６内に制限される。主に導波路１１６内を伝搬する
第２モードの光は、検出器１１８に消散的に結合される。検出器１１８の長さに
わたって、十分な量の消散場(evanescent field)を吸収し、導波路１１７内にお
ける光の存在を効果的に特定することができる。
【００２３】 図１Ｂは、光検出デバイス１１０の一実施形態の斜視図である。図示のように
、光検出デバイス１１０は、更に反射器１３０を備えることができる。反射器１
３０は、導波路１１４および１１６に隣接して位置し、そこに入射した光を反射
するように動作する。したがって、導波路１１４内を伝搬した光の内、最初の通
過時に検出器１１８において吸収されなかった光は、反射して導波路１１４内に
戻り、２回目の通過中に検出器１１８の下で吸収することができる。光が２回目
に検出器１１８の下を通過するようにしたことにより、反射器１３０は潜在的に
デバイス１１０の応答性を高める。更に、反射器１３０によって検出器１１８の
下で光が２回通過するようにしたので、検出器１１８を物理的に小型化でき、し
かも同じレベルの応答性を備えることができる。反射器１３０は、例えば、金ま
たは銀のような反射性金属で構成するとよい。また、反射器１３０は、誘電体ス
タックで構成してもよい。
【００２４】 本発明による非対称導波路検出器は、結合損失を最少に抑え、偏光感度(polar
ization sensitivity)を低く抑えたことを特徴とする。実際、検出器の応答性は
偏光に大きく依存する。本発明では、これらの特徴は、部分的に、導波路の物理
的な組成の関数である。
【００２５】 図２は、光検出ＰＩＣ１１０の断面図の一例を示す。図示のように、ＰＩＣ１
１０は、半絶縁、即ち、ドープＩｎＰ基板１１２上に成長する。結合導波路１１
４は、厚さ０．５５μｍの６つのＩｎＰ層２１２の間に分散させた、厚さ５００
オングストロームの５つのＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップＥg＝１．０３ｅＶ
）層２１０から成る。導波路１１４の組成を設計するに際して、導波路１１４内
を主に伝搬するモードの光が約３．１７３ないし３．１７７の間の有効反射率を
有するようにした。
【００２６】 導波路１１６は、０．２５ないし０．２９μｍの間の厚さを有する中央ＩｎＧ
ａＡｓＰ層２１４を備えている。更に、導波路１１６は、中央層２１４の各側に
ある、２つの３００ÅＩｎＧａＡｓＰ層２１６を備え、その各々は、２つの９０
０ÅのＩｎＰ層２１８の間に位置する。導波路１１６を設計する際に、導波路１
１６内を主に伝搬するモードの光が約３．２ないし３．２２の有効屈折率を有す
るようにした。ＰＩＣ１１０の非対称設計によれば、層２１４、２１６、および
２１８によって、導波路１１６内を主に伝搬する光のモードは、導波路１１４内
を主に伝搬するモードの光よりも高い有効屈折率を有することになる。
【００２７】 導波路１１６とＰＩＮ検出器１１８との間に、厚さ０．１５μｍのｎ−ドープ
層２２０を配置し、消散結合および吸収を増大させる。ＰＩＮ検出器１１８は、
厚さが約０．１ないし０．３μｍの間であるｎ−ドープ層２２２、厚さが約０．
５ないし０．６μｍの間であるＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ吸収層２２４、および厚さ
が約０．６μｍであるｐ−ドープＩｎＰ層２２６から成る。他の実施形態では、
ＰＩＮ構造におけるドーピング層の極性を逆にして、Ｐ＋下位層、非ドープＩｎ
ＧａＡｓ層、および上位ｎ＋層を形成してもよいことを、当業者は認めよう。
【００２８】 本発明によって得られる低結合損失および低偏光感度は、側面テーパ１１７の
関数でもある。加えて、本発明による側面テーパは、製造欠陥に伴う幅のばらつ
きに対しても耐性がある。例えば１ｍｍというような比較的長い範囲(length)に
わたって、ゆっくりとまたは断熱的に幅が変化する側面テーパは、このような特
性を呈することができる。しかしながら、本発明者らは、大幅に短い範囲(propo
rtion)、即ち、約２５０ないし４００μｍの間の側面テーパを用いて、低結合損
失、低偏光感度、および製造欠陥に対する耐性をもたらす、非対称導波路設計を
発案した。
【００２９】 図３は、光検出ＰＩＣ１１０の上面図を示す。この実施形態の一例では、結合
導波路１１４の幅を５μｍとする。この幅をここではＷFIBと呼ぶ。導波路１１
６のテーパ端の幅を１μｍとする。この幅をここではＷTAPENDと呼ぶ。この実施
形態の一例ではテーパの最も広い地点である、一地点におけるテーパの幅を約１
．８ないし２．２μｍの間とする。この幅をここではＷTAPと呼ぶ。ＷTAPEND、
ＷTAP、およびＬTAPに前述の値を採用すると、側面テーパの角度θは、約０．０
５ないし０．０９度の間となる。検出器１１８の長さは、約２０ないし５０μｍ
の間である。この長さをここではＬDETと呼ぶ。
【００３０】 光検出ＰＩＮ１１０は、一連のマスキングおよびエッチング工程によって製造
する。図４は、本発明の一態様にしたがって光検出ＰＩＮを製造するプロセスの
フローチャートを示す。図示のように、ステップ４１０において、図２を参照し
ながら先に説明した層から成るモノリシック構造を、分子ビーム・エピタキシ（
ＭＢＥ）または金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）によって、例えば、単一のエピ
タキシャル工程でＩｎＰ基板１１２上に成長させる。ステップ４１２において、
マスキングによって検出器１１２の輪郭を規定し、エッチングによって周囲の層
を導波路１１６の上面まで除去する。ステップ４１４において、マスキングによ
って側面テーパ１１７を有する導波路１１６を規定し、エッチングによって周囲
のエリアを導波路１１４の上面まで除去する。ステップ４１６において、マスキ
ングによって導波路１１４の輪郭を規定し、エッチングによって周囲のエリアを
基板１１２の上面まで除去する。
【００３１】 先に注記したように、導波路１１２および導波路１１４間の光転送効率、即ち
、結合損失および偏光感度は、２つの導波路およびテーパ１１７の寸法に依存す
る。導波路の非対称性に関しては、本発明者らは、双方の導波路において、同じ
成長速度で堆積されると想定される、同じＩｎＧａＡｓＰ成長材料を用いた。導
波路間の対称性の度合いは、２つの導波路を構成する種々のＩｎＧａＡｓＰ層の
成長時間によって判定するのであり、材料層の組成における相違によるのではな
い。更に、ＩｎＧａＡｓＰの成長速度にドリフトが少しでもあると、双方の導波
路に影響を及ぼす。このドリフトは±１０％になる場合がある。
【００３２】 図５は、本発明による検出器の応答性（単位はアンペア／ワット）を、当該検
出器を構成するＩｎＧａＡｓＰ層の成長速度の関数として示すグラフである。成
長速度のばらつきは、この検出器構造において高い応答性をもたらす特定の層設
計に対して正規化してある。図示のように、ＩｎＧａＡｓＰ層の成長速度が約０
．９ないし１．１の間、即ち、±１０％のばらつきがある場合、検出器の応答性
はこのばらつきの影響を殆ど受けず、約０．８Ａ／Ｗである。このように、この
検出器の性能（応答性）は、構造のＩｎＰおよび／またはＩｎＧａＡｓＰ層の堆
積中に発生し得る成長速度のばらつきに対し耐性がある。
【００３３】 側面テーパ１１７の設計に関して、本発明者らは、導波路１１４および導波路
１１６間の結合損失を極力抑え、これによって検出器の応答性を高めるように、
設計パラメータを選択した。また、側面テーパ１１７は、製造欠陥に起因するば
らつきには殆ど依存しない性能が得られるように設計した。
【００３４】 図６は、本発明の一態様による検出器の応答性を、側面テーパの幅の関数とし
て示すグラフである。図６に示すように、テーパ端（ＷTAPEND）において１．０
μｍの幅を有し、テーパ長（ＬTAP）が４００μｍに等しいテーパでは、テーパ
の最も幅が広い地点（ＷTAP）における幅が約１．８ないし２．２μｍの間にあ
るときに、検出器１１８から最も高い応答性が得られる。
【００３５】 図５および図６から、前述の測定値を有する光検出デバイスは応答性が非常に
高いことが認められる。実際、前述の特性を有する光検出デバイスは、少なくと
も４０ＧＨｚまでの速度で使用するのに適している。本発明者らは、経験的に、
光検出デバイスの実施形態の一例では、偏光感度が０．５ｄＢ未満であると結論
付けた。更に、光検出器は、非常に高い速度で動作可能であることに加えて、製
造欠陥に起因するばらつきに対して耐性があるため、商用光通信機器における使
用に特に高い適性を備えている。
【００３６】 本発明の別の態様によれば、２つよりも多い垂直結合非同期導波路から成るＰ
ＩＣデバイスを提供する。２つよりも多い垂直結合非対称導波路を有するＰＩＣ
デバイスは、単一のウエハにおいて多種多様のデバイスを一体化可能とする。例
えば、１つの導波路を用いて別のデバイスと結合し、第２の導波路を用いて信号
を増幅し、更に別の導波路を用いて増幅した信号を別のデバイスに伝達すること
ができる。２つを超えて非対称導波路の数を増加させると、単一のウエハにおい
て考案できるデバイスの数および種類が大幅に増える。
【００３７】 図７は、２つよりも多い垂直結合非対称導波路から成るＰＩＣデバイスの一例
を示す斜視図である。図示のように、ＰＩＣ７００は、第１導波路７１２、第２
導波路７１４、および第３導波路７１６から成る。導波路７１２、７１４、およ
び７１６を構成する材料、およびこれらの材料の相対的な厚さを選択する際、各
々異なる有効屈折率を有する異なるモードの光が、これらの導波路の１つにおい
て主に伝搬するように行う。導波路に側面テーパを形成し、導波路間の光の移動
を制御する。例えば、導波路７１４には側面テーパ７１８を形成し、導波路７１
２および導波路７１４間で光を結合する。同様に、導波路７１６には側面テーパ
７２０を形成し、導波路７１６および導波路７１４間で光を移動させる。
【００３８】 導波路７１２、７１４、および７１６を用いると、単一基板上に能動および受
動デバイスを設けることができる。例えば、これらの導波路を用いて、例えば、
半導体光増幅器やレーザのような、能動デバイスを設けることができる。また、
これらの導波路を用いて、例えば、検出器、カプラ、スプリッタ、マッハ・ゼン
ダー干渉計、格子部、およびアレイ状導波路（ＡＷＧ:arrayed waveguide）ルー
タのような受動デバイスを設けることもできる。勿論、導波路７１２、７１４、
および７１６は、一方のデバイスから別のデバイスに単に光を伝達するために用
いることもできる。
【００３９】 このように、本発明の一態様によれば、２つよりも多い垂直集積導波路を備え
、特定のモードの光が導波路の各々において主に伝搬するように設計した。導波
路に側面テーパを形成し、導波路間における光のモードの転送を制御する。更に
、導波路周囲に能動および受動デバイスを設計することもできる。したがって、
単一のチップ上で能動および受動デバイスを多様に組み合わせ、様々な種類の複
雑なＰＩＣデバイスを形成することが可能となる。
【００４０】 増幅／光検出ＰＩＣは、２つよりも多い垂直結合非対称導波路を備えたＰＩＣ
デバイスの実施形態の一例を表す。増幅／光検出ＰＩＣでは、光は第１導波路に
入射し、光増幅器を構成する第２導波路に結合される。増幅器は、半導体光増幅
器（ＳＯＡ）または進行波増幅器（ＴＷＡ）とすることができる。第２導波路の
長さにわたって増幅した後、光を第３導波路に結合し、第３導波路に消散的に結
合されている光検出器によって最終的に吸収する。
【００４１】 図８は、本発明による光増幅器を有する非対称光検出ＰＩＣの一例を示す斜視
図である。図示のように、モノリシックに集積した光検出ＰＩＣ８１０は、基板
８１２上に位置し、結合導波路８１４、増幅導波路８１６、第３導波路８１８、
および検出器８２０から成る。導波路８１４は、幅が約５μｍであり、レンズ化
または劈開した単一モード光ファイバからの結合損失を低く、例えば、２ｄＢ未
満に抑えるように設計されている。導波路８１４の遠視野像角度は、垂直および
水平両方向において約１３度ないし１８度の間である。導波路８１４は、第１モ
ードの光が主に導波路８１４内を伝搬するように設計されている。実施形態の一
例では、第１モードの光の有効屈折率は約３．２である。
【００４２】 増幅導波路８１６は、導波路８１４上に位置し、これと一体的に形成されてい
る。導波路８１６には光増幅器が形成されており、この光増幅器は、例えば、多
数の量子井戸（ＭＱＷ）または大規模な能動領域を含むことができる。導波路８
１６は、第２モードの光が主に導波路８１６を伝搬するように設計されている。
非対称導波路設計によれば、第２導波路８１６内を伝搬する第２モードの光は、
約３．３２の有効屈折率を有し、これは導波路８１４内を伝搬する第１モードの
光に伴う有効屈折率よりも大きい。導波路８１６は、導波路８１４から導波路８
１６への光の結合を改善するために側面テーパ・エリア８１７を有している。実
施形態の一例では、導波路８１６および導波路８１４間の結合損失は１ｄｂ未満
である。
【００４３】 導波路８１８は、導波路８１６上に位置し、これと一体的に形成されている。
導波路８１８は、第３モードの光が主にこの導波路内を伝搬するように設計され
ている。非対称導波路設計によれば、導波路８１８内を伝搬する第３モードの光
は、約３．３７の有効屈折率を有し、これは導波路８１６内を伝搬する第２モー
ドの光に伴う有効屈折率よりも大きい。また、導波路８１８も側面テーパ・エリ
ア８１９を有し、導波路８１６から導波路８１８への光の結合を改善している。
実施形態の一例では、導波路８１８および導波路８１６間の結合損失は１ｄｂ未
満である。尚、実施形態の一例では、テーパ部８１９および８１７は重複してい
ないが、他の実施形態では、テーパ８１７および８１９は、用途によっては部分
的または完全な重複も可能であることを注記しておく。
【００４４】 検出器８２０は、導波路８１８上に位置し、これと一体的に形成されている。
実施形態の一例では、検出器８２０の長さは約２０ないし５０μｍの間であり、
ｐ＋クラッディング層８３０、ｎ＋整合層８３２、およびＩｎＧａＡｓ吸収層８
３４から成るＰＩＮ型検出器である。導波路８１８および検出器８２０間の吸収
係数は、光検出器８２０の３０μｍの範囲では８０％よりも大きい。尚、実施形
態の一例では、検出器８２０は導波路８１８とは別個の構成要素であるが、別の
実施形態では、検出器８２０を導波路８１８内に一体化してもよいことを注記し
ておく。
【００４５】 導波路８１８は、テーパ・エリア８１９の前方に広がる拡張エリア８４０を含
む。導波路８４２の上面には、導波路８１６内に含まれる増幅器を活性化する第
１コンタクト・エリアがある。実施形態の一例では、このコンタクトはｐ＋コン
タクトである。導波路８１６の増幅器を活性化する第２コンタクトは、導波路８
１４の上面８４４である。実施形態の一例では、第２コンタクトはｎ＋コンタク
トである。これらのコンタクト間に電圧を印加すると、導波路８１６内に含まれ
る増幅器が活性化し、その中を伝搬する光を増幅する。
【００４６】 光は、導波路８１４を通って光検出ＰＩＣ８１０に入射する。導波路８１４は
、例えば、光ファイバのような別のデバイスに結合することができる。少なくと
も第１モードの光が導波路８１４を伝搬し、導波路８１６のテーパ部８１７に到
達すると、導波路８１６内を伝搬し始める。第１モードの有効屈折率は、テーパ
領域８１７の長さにわたって増大する。その結果、テーパ領域８１７の幅広端に
到達すると、テーパ内を伝搬した光は第２モードの光に遷移し、主に導波路８１
６内に制限される。導波路８１６内を伝搬している間に、光は、内部の光増幅器
の結果として、利得を得る。主に導波路８１６内を伝搬する第２モードの光は、
導波路８１８のテーパ部８１９に到達すると、導波路８１８内を伝搬し始める。
第２モードの有効屈折率は、テーパ領域８１９の長さにわたって増大する。その
結果、テーパ領域８１９の幅広端に到達すると、テーパ内を伝搬した光は第３モ
ードの光に遷移し、主に導波路８１８に制限される。導波路８１８は、消散的に
検出器８２０に結合されている。十分な量の消散場(evanescent field)が、検出
器８２０の、例えば、２０ないし１００μｍという短い距離で吸収され、導波路
８１８内における光の存在を効果的に特定することができる。
【００４７】 図９は、本発明の一態様による光増幅器を有する非対称光検出ＰＩＣの一例を
示す断面図である。図示のように、ＰＩＣ８１０は、半絶縁基板８１２上に成長
し、実施形態の一例では、半絶縁基板８１２はＩｎＰで構成されている。結合導
波路８１４は、厚さが約３μｍのＩｎＧａＡｓＰ層９１０を備えている。別の実
施形態では、結合導波路８１４は、屈折率がもっと高いいくつかのＩｎＧａＡｓ
Ｐ層から成り、ＩｎＰ層と共に散在させることによって、単一モード希薄導波路
(diluted waveguide)を形成することも可能である。図９を参照すると、導波路
８１６は、２つの制限ヘテロ構造層９１４の間に位置する３つのＩｎＧａＡｓＰ
量子井戸９１２を備えており、各制限ヘテロ構造層の厚さは約０．１５μｍであ
る。量子井戸には引張歪みおよび圧縮歪みを加え、偏光には感応しない光増幅器
を形成する。導波路８１８は、厚さが約０．６μｍのＩｎＧａＡｓＰ層９１４か
ら成る。検出器８１８は、ｎ−ドープ層９１６、ＩｎＧａＡｓ吸収層９１８、お
よびｐ−ドープＩｎＰ層９２０から成る。別の実施形態では、ＰＩＮ構造におけ
るドーピング層の極性を逆にして、ｐ＋下位層、非ドープＩｎＧａＡｓ層、およ
び上位ｎ＋層を形成してもよい。
【００４８】 非対称光検出ＰＩＣ８１０を製造するには、一連のマスキングおよびエッチン
グ工程を経る。図１０は、本発明の一態様にしたがって光検出ＰＩＮを製造する
プロセスを示すフローチャートである。図示のように、ステップ１０１０におい
て、図９を参照しながら先に説明したような層から成るモノリシック構造を、例
えば、ＩｎＰ構造１１２上に単一のエピタキシャル工程でＭＢＥまたはＭＯＣＶ
Ｄによって成長させる。ステップ１０１２において、マスキングによって検出器
８２０の輪郭を規定し、エッチングによって周囲の層を導波路８１８の上面まで
除去する。ステップ１０１４において、側面テーパ８１９が形成されている導波
路をマスキングによって規定し、エッチングによって周囲のエリアを導波路８１
６の上面まで除去する。ステップ１０１６において、マスキングによって導波路
８１６の輪郭を規定し、エッチングによって周囲のエリアを導波路８１４の上面
まで除去する。ステップ１０１８において、マスキングによって導波路８１４の
輪郭を規定し、エッチングによって周囲のエリアを基板１１２の上面まで除去す
る。ステップ１０２０において、検出器８２０および増幅導波路８１６上にコン
タクトを形成する。
【００４９】 本発明者は、経験的に、前述のような増幅／光検出ＰＩＣ８１０は動作可能で
あると結論付けた。図１１は、結合導波路８１４に注入した光について、増幅／
光検出デバイス８１０の長さに沿った光パワーを示すグラフである。図１１の左
側には、増幅光検出器８１０の上面図も示している。結合導波路８１４、側面テ
ーパ８１７および８１９、ならびに検出器８２０を図示している。光パワーがデ
バイス８１０を伝搬すると、種々の構成要素が種々のレベルのパワーを得る。
【００５０】 図１１の右側に示す対応のグラフは、検出ＰＩＣ８１０の異なる区間で得られ
るパワーを時間の関数として示す。線１１１０は、結合導波路８１４に生ずるパ
ワーを示す。線１１１２は、増幅導波路８１６に生ずるパワーを示す。線１１１
４は、導波路１１１６に生ずるパワーを示す。線１１１６はシステムにおける全
パワーを表す。
【００５１】 デバイス８１０に入射した光パワーは、最初に結合導波路８１４に達する。し
たがって、導波路８１４内のパワーを表す線１１１０は、最初に非ゼロの値を有
する。光信号がデバイス８１０内を伝搬していくと、導波路８１６のテーパ８１
７に到達し、ここでパワーは導波路８１６に結合する。したがって、導波路８１
６内のパワーを表す線１１１２は、テーパ８１７の位置で上昇し始める。線１１
１２は、導波路８１６の長さ全域で上昇し続け、導波路８１６の増幅特性を示す
。次に、デバイス８１０内を伝搬する光信号はテーパ８１９に達し、ここでパワ
ーは導波路８１８に結合する。したがって、導波路８１８内のパワーを示す線１
１１６は、テーパ８１９の位置で上昇し始める。最後に、デバイス８１０の全行
程を伝搬し終えた光パワーは、検出器８２０に吸収される。したがって、検出器
８２０の先端に対応する位置では、線１１１０、１１１２、１１１４および１１
１６で示した、デバイスの全部分におけるパワーは急速に低下する(fall off)。
【００５２】 このように、本発明の一態様による非対称増幅／光検出器は、光検出器による
吸収の前に光パワーを増幅するように動作可能である。検出前に光信号を増幅す
ると、受信器の応答性が向上する。ビット・レートが高い信号では、電気増幅器
の熱ノイズが検出器の感度を左右するので、これは特に重要である。
【００５３】 増幅自発放出（ＡＳＥ：amplified spontaneous emission）が受信器の応答性
と干渉する可能性があることが知られている。したがって、ＡＳＥを低減するに
は、フィルタを光検出デバイス内に組み込むことが望ましいであろう。図１２は
、ＡＳＥフィルタを組み込んだ、本発明による検出デバイスの上面図を示す。図
示のように、デバイス１２１０は、結合導波路１２１２、内部に光増幅器を有す
る第２導波路１２１４、検出器１２１８が結合されている第３導波路１２１６を
備えている。デバイス１２１０は、更に、第２導波路１２１４と第３導波路１２
１６との間に位置する格子フィルタ１２２０も備えている。"Grating-Assisted
InGaAsP/InP Vertical Codirectional Coupler Filter" （格子補助ＩｎＧａＡ
ｓＰ／ＩｎＰ垂直同一方向カプラ・フィルタ）(55 Applied Physics Letters, 2
011-13（１９８９年１１月）)と題するAlferness et al.による論文に詳しく記
載されているように、格子フィルタは、ＡＳＥおよび当該ＡＳＥが誘発し受信器
の応答性と干渉する虞れがあるショット・ノイズを排除するように動作する。導
波路１２１４から射出する光は、導波路１２１６に入射する前に、格子フィルタ
１２２０によって濾過される。図１２の実施形態の一例では、格子フィルタ１２
２０は平行カプラ格子であり、格子フィルタは２つの平行な導波路の間で動作す
る。別の実施形態では、格子フィルタ１２２０は、平行カプラのない、直線格子
(straight-on grating)とすることも可能である。尚、格子フィルタ１２２０を
調整可能とし、波長の選択的濾過に対応するようにしてもよいことを注記してお
く。このような実施形態では、格子フィルタ１２２０を変調、即ち、調整して、
導波路１２１６に結合されている検出部に、特定の波長の光を入射させるように
することも可能である。
【００５４】 図１３は、本発明による増幅器／光検出器によって得られるような、増幅によ
ってもたらされる受信器の応答性の向上を示す。図１３は、１０-9のビット・エ
ラー・レートを得るために光検出器において検出可能な最少入力パワーの計算値
（単位はｄＢｍ）を、増幅器即ちＳＯＡの利得の関数として示すグラフである。
点線１３１０は、１０-9のビット・エラー・レートを達成するために、増幅器を
有していない４０ＧＢｐｓ検出器において検出可能な最少入力パワーを表す。同
様に、点線１３１２は、増幅器を有していない１０ＧＢｐｓにおいて検出可能な
、１０-9のビット・エラー・レートを得るための最少パワーを表す。線１３１０
および１３１２は増幅素子のない光検出器を表すので、線は水平である。
【００５５】 比較のため、線１３１４は、４０ギガビット増幅／検出器において検出可能な
、１０-9のビット・エラー・レートを得るための最少入力パワーを表し、増幅が
増大すると急速に低下する。点線１３１６は、フィルタを有する４０ギガビット
増幅／検出器において検出可能な最少入力パワーを表す。線１３１８は、１０ギ
ガビット増幅／検出器において検出可能な、１０-9のビット・エラー・レートを
得るための最少入力パワーを表す。点線１３２０は、フィルタを有する１０ギガ
ビット増幅／検出器において検出可能な入力パワーを表す。
【００５６】 線１３１４および１３１８で示すように、１０-9のビット・エラー・レートを
達成するために検出可能な最少入力パワーは、増幅／光検出器における増幅利得
が増大するに連れて減少する。利得が増大して約１５ｄＢを超過すると、所望の
ビット・エラー・レートを達成するために必要な入力パワーは一定となる。増幅
器のない４０ＧＢｐｓ検出器に対応する線１３１０を、増幅器がある４０ＧＢｐ
ｓ検出器に対応する線１３１４と比較すると、検出器の利得が約１５ｄＢを超え
たところでは、所望のビット・エラー・レートを得るために検出器において受信
可能な入力パワーの量は、約１０ｄＢだけ減少することがわかる。このように、
予備増幅の使用によって、検出器の応答性にかなりの向上が得られる。更に、線
１３１６および１３１８で示すように、ＡＳＥを低減するためにフィルタを追加
すると、増幅器の利得が約１５ｄＢより大きいところでは、増幅／検出器の応答
性は一層高まる。しかしながら、例えば、線１３１４および１３１６で表した４
０ギガビット検出器のように、ボー・レートが更に高い検出器では、例えば、線
１３１８および１３２０で表した１０ギガビット検出器のような、低いボー・レ
ートの受信器程大きな応答性の改善は、フィルタによって得られないことを注記
しておく。
【００５７】 以上のように、改良したモノリシック集積光検出デバイス、および改良したＰ
ＩＣデバイスの設計を開示した。本発明の一態様によれば、非対称導波路に基づ
く光検出ＰＩＣを提供する。改良した光検出ＰＩＣの実施形態の一例は、応答性
が非常に高く、少なくとも４０ＧＨｚ程度の周波数で使用するように動作可能で
ある。
【００５８】 更に、側面テーパを有する垂直非対称導波路を２つよりも多く、単一のＰＩＣ
デバイスに組み込むための設計も開示した。例えば、本発明の一態様によれば、
増幅／光検出器ＰＩＣを開示した。このＰＩＣは、検出の前に信号を増幅するこ
とによって、既存の非対称検出器の設計を改良した。信号の増幅によって、電子
検出回路におけるノイズの混入による精度低下を抑制し、検出精度が向上する。
【００５９】 前述の増幅／光検出器ＰＩＣは、多数の非対称導波路および多数のデバイス種
別、即ち、受動導波路、増幅器および検出器を単一のＰＩＣに一体化する一例で
ある。多重非対称導波路設計は、他の種類のデバイスを形成するために応用する
ことができる。本発明を組み込んだデバイスでは、受動導波路をファイバに対す
る効率的な結合のために用い、例えば、カプラ、スプリッタ、マッハ・ゼンダー
干渉計およびアレイ状導波路（ＡＷＧ）ルータのような種々の受動デバイスを形
成するために用いることもできる。同じデバイスにおいて、光学的な予備増幅を
行うため、または他の受動構成部品を含むＰＩＣとの通信に伴う損失を補償する
ためにも光増幅器を用いることができる。最後に、これら同じデバイスは、検出
器を組み込み、恐らくは検出器アレイとして動作することができ、各々が４０Ｇ
Ｈｚまでおよび４０ＧＨｚを超えても高速低ノイズ、高ダイナミック・レンジ動
作を可能とする。このように、本発明者らは、これまで実現されなかった種類の
複雑なＰＩＣを提供するために用いることができる、多重非対称導波路設計を発
案した。
【００６０】 以上具体的な実施形態を参照しながら本発明について説明しかつ図示したが、
先に説明し特許請求の範囲に明記してある、本発明の原理から逸脱することなく
変更や変形も可能であることを当業者は認めよう。例えば、本発明による集積光
検出器は、前述とは異なる測定値を有するテーパを備えてもよい。また、導波路
は、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＳｂおよびＧａＮのように、前述とは異なる材料で
構成してもよく、更に前述以外の厚さを有してもよい。更に、本発明を多種多様
のデバイスにおいて用いることも可能である。例えば、本発明による増幅／光検
出器は、光通信リンクの高感度４０ＧＨｚ受信器を作成するためにも採用するこ
とができる。したがって、添付の特許請求の範囲を参照して本発明の範囲を示す
こととする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１Ａは、本発明の一態様による光検出ＰＩＣの斜視図である。 図１Ｂは、本発明の一態様による光検出ＰＩＣの第２の斜視図である。
【図２】 図２は、本発明の一態様による光検出ＰＩＣの断面図である。
【図３】 図３は、本発明の一態様による光検出ＰＩＣの上面図である。
【図４】 図４は、本発明の一態様にしたがって光検出ＰＩＣを製造するプロセスのフロ
ーチャートである。
【図５】 図５は、本発明による光検出ＰＩＣの応答性を、その複合層の成長速度の関数
として示すグラフである。
【図６】 図６は、本発明による光検出ＰＩＣの応答性を、その中に形成された側面テー
パの幅の関数として示すグラフである。
【図７】 図７は、本発明による垂直集積導波路を２つよりも多く含むＰＩＣの斜視図で
ある。
【図８】 図８は、本発明の一態様による、光増幅器を有する非対称光検出ＰＩＣの斜視
図である。
【図９】 図９は、本発明の一態様による増幅／光検出ＰＩＣの断面図である。
【図１０】 図１０は、本発明の一態様にしたがって増幅／光検出ＰＩＣを製造するプロセ
スのフローチャートである。
【図１１】 図１１は、本発明による増幅／光検出デバイスの種々の部分における光パワー
を、時間の関数として表したグラフである。
【図１２】 図１２は、フィルタを組み込んだ、本発明による増幅／光検出デバイスの上面
図である。
【図１３】 図１３は、１０-9のビット・エラー率を達成するように計算した最小入力パワ
ー（ｄＢｍ単位）を、増幅器の利得の関数として示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＣ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ， ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，Ｉ Ｎ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ， ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，Ｐ Ｌ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ゴクヘイル，ミリンド・アール アメリカ合衆国ニュージャージー州08540， プリンストン，サウス・ハリソン・ストリ ート 263，ナンバー２ (72)発明者 ストゥデンコフ，パヴェル・ブイ アメリカ合衆国ニュージャージー州08852， モンマウス・ジャンクション，シャドウ・ オウクス・コート 6208 Ｆターム(参考） 2H047 KA03 KB04 KB08 MA05 MA07 PA06 QA02 5F088 AA03 BA03 BA15 BB01 EA07 EA11 GA05 GA09 JA14

Claims (40)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光信号に作用するデバイスであって、 主に第１モードの光を案内する第１導波路と、 主に第２モードの光を案内する第２導波路であって、該第２導波路は前記第１
    導波路に対して垂直方向に位置し、前記第１導波路および当該第２導波路間で前
    記第１モードの光を案内する側面テーパが形成され、前記第１モードの光の有効
    屈折率が前記第２モードの光のそれとは異なる、第２導波路と、 前記第２導波路内を伝搬する光を検出する光検出器であって、前記第２導波路
    に対して垂直方向に位置し、前記第２導波路によって前記第１導波路から分離さ
    れている、光検出器と、 を備えているデバイス。
  2. 【請求項２】 請求項１記載のデバイスにおいて、前記第２モードの光の有
    効屈折率が前記第１モードのそれよりも大きい、デバイス。
  3. 【請求項３】 請求項１記載のデバイスにおいて、前記側面テーパの幅が、
    第１地点において約１μｍであり、第２地点において約１．８ないし２．２μｍ
    の間であり、前記第１地点および前記第２地点間における前記テーパの長さが約
    ２５０および４００μｍの間である、デバイス。
  4. 【請求項４】 請求項１記載のデバイスにおいて、前記側面テーパの長さが
    、約２５０ないし４００μｍの間であり、前記側面テーパの幅狭端の幅が約１μ
    ｍであり、前記側面テーパの幅が、前記側面テーパに沿った一地点において約１
    ．８ないし２．２μｍの間である、デバイス。
  5. 【請求項５】 請求項１記載のデバイスにおいて、前記側面テーパのテーパ
    角が約０．０５ないし０．０９度の間である、デバイス。
  6. 【請求項６】 請求項１記載のデバイスにおいて、前記第１モードの光の有
    効屈折率が約３．１７３および３．１７７の間であり、前記第２モードの光の有
    効屈折率が約３．２ないし３．２２の間である、デバイス。
  7. 【請求項７】 請求項１記載のデバイスにおいて、前記側面テーパが断熱テ
    ーパである、デバイス。
  8. 【請求項８】 請求項１記載のデバイスにおいて、前記第１導波路の劈開フ
    ァイバまたはレンズ化ファイバからの入力結合損失が、２ｄＢ未満である、デバ
    イス。
  9. 【請求項９】 請求項１記載のデバイスにおいて、前記第１導波路の遠視野
    像角度が、垂直方向および水平方向において約１３度ないし１８度の間である、
    デバイス。
  10. 【請求項１０】 請求項１記載のデバイスにおいて、前記第２導波路は、前
    記第１導波路との結合損失が１ｄＢ未満であり、前記光検出器との吸収係数が、
    前記光検出器の３０μｍの範囲において８０％よりも大きい、デバイス。
  11. 【請求項１１】 請求項１記載のデバイスにおいて、前記第２導波路は、更
    に、当該第２導波路内を伝搬する光を反射させ、２度目には前記光を前記検出器
    の下を伝搬させるようにした反射器を備えている、デバイス。
  12. 【請求項１２】 請求項１１記載のデバイスにおいて、前記反射器は金属被
    膜から成る、デバイス。
  13. 【請求項１３】 請求項１１記載のデバイスにおいて、前記反射器は誘電体
    スタックから成る、デバイス。
  14. 【請求項１４】 請求項１記載のデバイスにおいて、前記光検出器はＰＩＮ
    デバイスである、デバイス。
  15. 【請求項１５】 請求項１４記載のデバイスにおいて、前記ＰＩＮデバイス
    は、Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ吸収層を備えている、デバイス。
  16. 【請求項１６】 光信号に作用するデバイスであって、 主に第１モードの光を案内する第１導波路と、 主に第２モードの光を案内する第２導波路であって、該第２導波路は前記第１
    導波路に対して垂直方向に位置し、前記第１導波路および当該第２導波路間で前
    記第１モードの光を案内する側面テーパが形成され、前記第１モードの光の有効
    屈折率が前記第２モードの光のそれとは異なる、第２導波路と、 主に第３モードの光を案内する少なくとも１つの更に別の導波路であって、該
    更に別の導波路は、前記第２導波路に対して垂直に位置し、前記第２導波路によ
    って前記第１導波路から分離され、前記第２導波路および当該更に別の導波路間
    で前記第２モードの光を案内する側面テーパが形成され、前記第３モードの光の
    有効屈折率が前記第２モードの光のそれとは異なる、更に別の導波路と、 を備えているデバイス。
  17. 【請求項１７】 請求項１記載のデバイスにおいて、前記第２モードの光の
    有効屈折率が、前記第１モードのそれよりも大きい、デバイス。
  18. 【請求項１８】 請求項１７記載のデバイスにおいて、前記第３モードの光
    の有効屈折率が、前記第２モードのそれよりも大きい、デバイス。
  19. 【請求項１９】 請求項１６記載のデバイスにおいて、前記更に別の導波路
    における前記側面テーパは、前記第２導波路内の前記テーパにほぼ隣接して位置
    する、デバイス。
  20. 【請求項２０】 請求項１６記載のデバイスにおいて、前記更に別の導波路
    が光検出器である、デバイス。
  21. 【請求項２１】 請求項１６記載のデバイスであって、更に、前記更に別の
    導波路内を伝搬する光を検出する光検出器を備え、該光検出器が前記更に別の導
    波路に対して垂直に位置し、前記更に別の導波路によって前記第２導波路から分
    離されている、デバイス。
  22. 【請求項２２】 請求項２１記載のデバイスにおいて、前記第２導波路が光
    増幅器を備えている、デバイス。
  23. 【請求項２３】 請求項１６記載のデバイスにおいて、前記第１導波路、前
    記第２導波路、および前記第３導波路の内少なくとも１つを用いて、能動光子デ
    バイスを形成する、デバイス。
  24. 【請求項２４】 請求項２３記載のデバイスにおいて、前記第１導波路、前
    記第２導波路、および前記第３導波路の内少なくとも１つを用いて、受動光子デ
    バイスを形成する、デバイス。
  25. 【請求項２５】 光信号に作用する検出器であって、 主に第１モードの光を案内する第１導波路と、 主に第２モードの光を案内する第２導波路であって、該第２導波路は前記第１
    導波路に対して垂直方向に位置し、前記第１導波路および当該第２導波路間で前
    記第１モードの光を案内する側面テーパが形成され、前記第１モードの光の有効
    屈折率が前記第２モードの光のそれとは異なる、第２導波路と、 主に第３モードの光を案内する少なくとも１つの更に別の導波路であって、該
    更に別の導波路は、前記第２導波路に対して垂直に位置し、前記第２導波路によ
    って前記第１導波路から分離され、前記第２導波路および当該更に別の導波路間
    で前記第２モードの光を案内する側面テーパが形成され、前記第３モードの光の
    有効屈折率が前記第２モードの光のそれとは異なる、更に別の導波路と、 前記更に別の導波路内を伝搬する光を検出する光検出器であって、前記更に別
    の導波路に対して垂直に位置し、前記更に別の導波路によって前記第２導波路か
    ら分離されている、光検出器と、 を備えている検出器。
  26. 【請求項２６】 請求項２５記載の検出器において、前記第２導波路が光増
    幅器を備えている、検出器。
  27. 【請求項２７】 請求項２５記載の検出器において、前記光検出器がＰＩＮ
    デバイスである、検出器。
  28. 【請求項２８】 光信号に作用するデバイスであって、 主に第１モードの光を案内する第１導波路と、 主に第２モードの光を案内する第２導波路であって、該第２導波路は前記第１
    導波路に対して垂直方向に位置し、前記第１導波路および当該第２導波路間で前
    記第１モードの光を案内する側面テーパが形成され、前記第１モードの光の有効
    屈折率が前記第２モードの光のそれとは異なり、前記光信号を増幅する光増幅器
    を備えている、第２導波路と、 主に第３モードの光を案内する少なくとも１つの更に別の導波路であって、該
    更に別の導波路は、前記第２導波路に対して垂直に位置し、前記第２導波路によ
    って前記第１導波路から分離され、前記第２導波路および当該更に別の導波路間
    で前記第２モードの光を案内する側面テーパが形成され、前記第３モードの光の
    有効屈折率が前記第２モードの光のそれとは異なる、更に別の導波路と、 前記更に別の導波路内を伝搬する光を検出する光検出器であって、前記更に別
    の導波路に対して垂直に位置し、前記更に別の導波路によって前記第２導波路か
    ら分離されている、光検出器と、 を備えているデバイス。
  29. 【請求項２９】 請求項２８記載のデバイスにおいて、前記第２モードの光
    の有効屈折率が、前記第１モードのそれよりも大きい、デバイス。
  30. 【請求項３０】 請求項２９記載のデバイスにおいて、前記第３モードの光
    の有効屈折率が、前記第２モードのそれよりも大きい、デバイス。
  31. 【請求項３１】 請求項３０記載のデバイスにおいて、前記第１モードの光
    の前記第１導波路における有効屈折率は約３．２であり、前記第２モードの光の
    前記第２導波路における有効屈折率は約３．３２であり、前記第３モードの光の
    前記更に別の導波路における有効屈折率は約３．３７である、デバイス。
  32. 【請求項３２】 請求項２８記載のデバイスにおいて、前記第１導波路は、
    劈開ファイバまたはレンズ化ファイバからの入力結合損失が約２ｄＢ未満である
    、デバイス。
  33. 【請求項３３】 請求項２８記載のデバイスにおいて、前記第１導波路の遠
    視野像角度が、垂直方向および水平方向において約１３度ないし１８度の間であ
    る、デバイス。
  34. 【請求項３４】 請求項２８記載のデバイスにおいて、前記更に別の導波路
    は、前記第２導波路との結合損失が１ｄＢ未満であり、前記光検出器との吸収係
    数が、前記光検出器の３０μｍの範囲において８０％よりも大きい、デバイス。
  35. 【請求項３５】 請求項２８記載のデバイスにおいて、前記第２導波路は、
    更に、当該第２導波路内を伝搬する光を反射させ、２度目には前記光を前記検出
    器の下を伝搬させるようにした反射器を備える、デバイス。
  36. 【請求項３６】 請求項２８記載のデバイスにおいて、前記第２導波路は、
    前記第２モードの光に対して約２０ｄｂまでの利得を与える、デバイス。
  37. 【請求項３７】 請求項２８記載のデバイスであって、更に、前記第２モー
    ドの光を濾過し、前記第２モードの光を前記更に別の導波路に結合する前に、増
    幅自発放出を除去する格子フィルタを備えている、デバイス。
  38. 【請求項３８】 請求項３７記載のデバイスにおいて、前記格子フィルタが
    平行カプラ格子フィルタである、デバイス。
  39. 【請求項３９】 請求項３７記載のデバイスにおいて、前記格子フィルタが
    直線格子フィルタである、デバイス。
  40. 【請求項４０】 請求項３７記載のデバイスにおいて、前記格子フィルタは
    、特定の波長の光を前記更に別の導波路に入射させるように調節可能である、デ
    バイス。
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