JP2004126172A

JP2004126172A - Grating element, mach zehnder interferometer, and optical cross-connection system

Info

Publication number: JP2004126172A
Application number: JP2002289418A
Authority: JP
Inventors: Shinji Matsuo; 松尾　慎治; Toru Segawa; 瀬川　徹
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2004-04-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a grating element with a high quenching ratio, and a Mach-Zehnder interferometer and an optical cross-connection device which use the same. <P>SOLUTION: A sampled grating element 10 formed by laminating a substrate (not illustrated), a guide layer 11-1 formed on the substrate, a core layer 12, and a guide layer 11-2 is provided with gratings 13-1, 13-2, and 13-3 on both side wall parts of a waveguide while the width (w) of the waveguide is periodically varied by photolithography and dry etching to form a vertical grating type semiconductor high-mesa waveguide such that a gratings closer to input/output end surfaces of the waveguide have smaller differences Δd in width of the waveguide and gratings closer to the center between the input/output end surfaces of the waveguide have larger differences Δd in width of the waveguide. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長フィルタまたは波長可変フィルタとして応用が可能な超周期構造グレーティング素子及びサンプルドグレーティング素子、またこれらを用いたマッハツェンダー干渉計、光クロスコネクト装置に関し、例えば、波長多重大容量通信のための重要な光部品として応用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
近年のインターネットにおける爆発的なトラフィックの増加に対応するため、ノード間を結ぶ伝送には波長多重を用い、ノード間の伝送容量を増加させている。波長フィルタあるいは波長可変フィルタは、このような波長多重伝送において欠かすことのできない重要な部品である。また、これらの素子を用いて光クロスコネクト装置が構成される。
【０００３】
図１８は、従来のサンプルドグレーティング素子の一例を示す概略構成図である。同図に示すように、サンプルドグレーティング素子１は、ガイド層２に挟まれたコア層３に一定周期で一定長のグレーティング４を複数形成したものである。このサンプルドグレーティング素子によれば、一定周期で波長を抽出することが可能なため、波長多重伝送が要求される状況において、複数の波長を同時に選択する光クロスコネクト装置等での使用が期待される。
【０００４】
図１９は、図１８に示す従来のサンプルドグレーティング素子で形成された波長フィルタの反射スペクトルである。同図に示すように、一定のＦＳＲで反射強度が大きくなっていることがわかる（例えば、非特許文献１参照。）。ＦＳＲ（Ｆｒｅｅ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ｒａｎｇｅ　：自由分光領域）とは、反射光における隣接したピーク間の周波数間隔をいう。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｖ．Ｊａｙａｒａｍａｎ　、外３名，「Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ｔｕｎｉｎｇ　Ｒａｎｇｅ　ｉｎ　Ｓａｍｐｌｅｄ　Ｇｒａｔｉｎｇ　ＤＢＲ　Ｌａｓｅｒｓ　」，ＩＥＥＥ　ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＬＥＴＴＥＲＳ　，米国，１９９３年，第５巻，第５号，ｐ．４８９−４９１
【０００６】
しかしながら、一般にサンプルドグレーティング素子では大きな反射率が得られる共振ピークの外側でサイドローブが現れ、このサイドローブがある程度の反射率を有するため、反射スペクトルの消光比（共振ピークの反射率とサイドローブの反射率との比）が小さくなる。サンプルドグレーティング素子をレーザに用いる場合（上記非特許文献１参照）には、消光比の小ささは重要な問題とはならないが、波長フィルタとして用いる場合には問題となる。図１９に示す反射スペクトルの消光比は小さく、約１０ｄＢ程度しかない。
【０００７】
この問題を解決するための手段としては、ファイバーブラッググレーティング等で用いられているアポダイゼーションがある。図２０は、アポダイゼーションを適用した従来のアポダイズドサンプルドグレーティング素子の概略構成図（ａ）と、導波路に沿った方向ｚと結合係数ｋとの関係図（ｂ）である。
【０００８】
同図（ａ）に示すように、アポダイズドサンプルドグレーティング素子５は、ガイド層２に挟まれたコア層３にグレーティング４−１　，４−２　，４−３　を形成したものである。なお、同図には、代表的な３つのグレーティングを示してある。グレーティング４−１　，４−２　，４−３　は、一定周期で一定長に形成されると共に、各グレーティングを形成する際のエッチングの深さを入射側のグレーティング４−１　で浅く、素子中央（入出力端面間の中央）付近のグレーティング４−２　で最も深く、出力側のグレーティング４−３　で徐々に浅くするようにして形成される。これにより、同図（ｂ）に示すように、導波路に沿って結合係数をなめらかに変化させることができる。
【０００９】
図２１は、図２０（ａ）に示すアポダイズドサンプルドグレーティング素子を想定して計算した反射スペクトルである。実線がサンプルドグレーティング素子、点線がアポダイズドサンプルドグレーティング素子の反射スペクトルである。同図に示すように、アポダイズドサンプルドグレーティング素子では、通常のサンプルドグレーティング素子と比較して消光比を大幅に改善することができることが分かる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アポダイゼーションしたグレーティング４−１　，４−２　，４−３　をエッチングにより形成するには、導波路に沿ってグレーティングの深さを変化させなければならず、高度な加工制御を必要とする。
【００１１】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、現実的な手法でサイドローブを抑制することにより消光比の大きな波長フィルタまたは波長可変フィルタを構成し、更にこれらの素子を用いたマッハツェンダー干渉計及び光クロスコネクト装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決する第１の発明は、基板上に形成される導波路が複数のグレーティングを有し、一定のＦＳＲの波長光のみを反射光として出力する超周期構造グレーティング素子またはサンプルドグレーティング素子において、前記グレーティングは、前記導波路の幅を周期的に変化させ、前記基板と垂直方向に形成されてなり、前記複数のグレーティングは、前記導波路の入出力端面に近いグレーティングほど前記周期的に変化する導波路の幅の差が小さく、前記導波路の入出力端面間の中央に近いグレーティングほど前記周期的に変化する導波路の幅の差が大きくなることを特徴とする。
【００１３】
第１の発明では、導波路幅を周期的に変化させてなる垂直グレーティング型半導体を用いている。この場合、グレーティングの結合係数はグレーティング部分の導波路幅の差に依存するため、例えば、フォトリソグラフィにより導波路幅を変えドライエッチングで垂直グレーティング型半導体ハイメサ導波路を形成することで簡単にアポダイゼーション可能となる。
【００１４】
グレーティングの結合係数を緩やかに変化させるアポダイゼーションを行うことにより、反射スペクトルのサイドローブを減少させ消光比を改善することができる。
【００１５】
前述した課題を解決する第２の発明は、基板上に形成される導波路が複数のグレーティングを有し、一定のＦＳＲの波長光のみを反射光として出力するサンプルドグレーティング素子において、前記グレーティングは、前記導波路の幅を周期的に変化させ、前記基板と垂直方向に形成されてなり、前記複数のグレーティングは、前記導波路の入出力端面に近いグレーティングほど前記周期的に変化する導波路の幅の差が小さくなると共に前記グレーティングを構成する凸部の数が少なくなり、前記導波路の入出力端面間の中央に近いグレーティングほど前記周期的に変化する導波路の幅の差が大きくなると共に前記グレーティングを構成する凸部の数が多くなることを特徴とする。
【００１６】
前述した課題を解決する第３の発明は、基板上に形成される導波路が複数のグレーティングを前記基板と水平方向に有し、一定のＦＳＲの波長光のみを反射光として出力する埋め込み型のサンプルドグレーティング素子において、前記複数のグレーティングは、前記導波路の入出力端面に近いグレーティングほど前記グレーティングを構成する凸部の数が少なく、前記導波路の入出力端面間の中央に近いグレーティングほど前記グレーティングを構成する凸部の数が多くなることを特徴とする。
【００１７】
第３の発明では、基板と水平方向にグレーティングを有する埋め込み型グレーティング導波路で等価的に結合係数を変化させる手法を用いている。このため、素子において、導波路の入出力端面に近いグレーティングほど凸部の数が少なく、導波路の入出力端面間の中央に近いグレーティングほど凸部の数が多くなるように、すなわち、グレーティングの存在する部分と存在しない部分の比率が入力端面から光の進行方向に沿って徐々に増加し、導波路の中央付近で最もその比率が大きくなり、その後徐々に比率を減少させている。これにより等価的に結合係数が変化しアポダイゼーション可能となる。
【００１８】
グレーティングは１個または複数個の凸部からなり、一つの凸部とそれに隣接する凸部の手前までを一つの周期とすると、２つの凸部は２周期、３つの凸部は３周期に相当する。
【００１９】
前述した課題を解決する第４の発明は、基板上に形成される導波路が複数のグレーティングを前記基板と水平方向に有し、一定のＦＳＲの波長光のみを反射光として出力する埋め込み型の超周期構造グレーティング素子または埋め込み型のサンプルドグレーティング素子において、前記複数のグレーティングは、前記導波路の入出力端面に近いグレーティングほどグレーティング幅が狭く、前記導波路の入出力端面間の中央に近いグレーティングほどグレーティング幅が広くなることを特徴とする。
【００２０】
第４の発明では、グレーティングの幅を変えることにより結合係数を変化させる。グレーティング幅とは、導波路内を伝播する光の伝播方向に対して垂直に形成される棒状の凸部から構成されるグレーティング（光軸と棒状グレーティングの長軸とが直角）において、棒状凸部の長さ、すなわち、光伝播方向に対して垂直方向の凸部の長さをグレーティング幅という。
【００２１】
前述した課題を解決する第５の発明は、基板上に形成される導波路が複数のグレーティングを前記基板と水平方向に有し、一定のＦＳＲの波長光のみを反射光として出力する埋め込み型のサンプルドグレーティング素子において、前記複数のグレーティングは、前記導波路の入出力端面に近いグレーティングほど前記グレーティングを構成する凸部の数が少なくなると共にグレーティング幅が狭くなり、前記導波路の入出力端面間の中央に近いグレーティングほど前記グレーティングを構成する凸部の数が多くなると共にグレーティング幅が広くなることを特徴とする。
【００２２】
前述した課題を解決する第６の発明は、第３ないし第５のいずれかの発明に係る埋め込み型の超周期構造グレーティング素子または埋め込み型のサンプルドグレーティング素子において、前記導波路は、前記基板上に設けられる第１ガイド層と、前記第１ガイド層の上に設けられ複数のグレーティングを有するコア層と、前記コア層の上に設けられる第２ガイド層とからなり、前記グレーティングは、前記コア層に形成されたエアギャップからなると共に、前記コア層と前記第２ガイド層とは直接接合または接着剤またはポリイミドにより接着されることを特徴とする。
【００２３】
グレーティング素子から出力される反射スペクトルの半値幅は、グレーティングの結合係数に比例するため、反射帯域幅の大きな特性を得るためにはグレーティングを深くエッチングする必要がある。しかしながら、埋め込み型のグレーティング素子では、再成長によりグレーティングを埋め込む必要があることからグレーティングのエッチング深さが制限され大きな結合係数を得ることは難しかった。
【００２４】
そこで、第６の発明では、グレーティングを再成長により埋め込むのではなく、直接接合や接着剤等を用いて導波路を形成することを特徴とする。この結果、高度な成形技術を用いることなく、大きな結合係数を得ることが可能となる。なお、グレーティングを構成するエアギャップは、例えば、エッチングにより形成することができる。
【００２５】
第６の発明に係る素子の作製方法としては、例えば、第１ガイド層とコア層（グレーティング形成済み）とを上面に有する基板と、第２ガイド層を上面に有する基板とを作製し、次に、コア層と第２ガイド層との間を接着するように、両基板を直接接合や接着剤等により貼り合わせて、その後、どちらかの基板を削除すればよい。
【００２６】
前述した課題を解決する第７の発明は、第１ないし第６のいずれかの発明において、前記導波路は、ハイメサ構造であることを特徴とする。
【００２７】
第７の発明では、基板と水平方向のグレーティングは偏波依存性が問題となることがあるため、導波路をコア層の下までエッチングするハイメサ構造とすることにより入射光の偏波依存性を解消する。
【００２８】
前述した課題を解決する第８の発明は、第１ないし第７のいずれかの発明に係る超周期構造グレーティング素子またはサンプルドグレーティング素子を複数有し、前記複数の超周期構造グレーティング素子またはサンプルドグレーティング素子はそれぞれ同じＦＳＲの波長光のみを反射光として出力すると共に、前記複数の超周期構造グレーティング素子またはサンプルドグレーティング素子が反射する光のピーク波長はそれぞれ異なり、前記複数の超周期構造グレーティング素子またはサンプルドグレーティング素子が直列に接続されてなることを特徴とする。
【００２９】
第８の発明では、光クロスコネクト装置のように波長毎に経路を切り替えるのではなく、複数の波長（波長群）をまとめて切り替えるような用途の場合に、ＦＳＲが等しく、反射ピーク波長の異なる複数の波長可変フィルタ（超周期構造グレーティング素子またはサンプルドグレーティング素子）を複数直列に接続した構成を用いれば、それぞれの導波路の屈折率を変調することにより複数の透過波長を一度に取り出すことが可能になる。
【００３０】
前述した課題を解決する第９の発明は、第１ないし第８のいずれかの発明において、前記導波路の屈折率を制御する屈折率制御手段を備えたことを特徴とする。
【００３１】
屈折率制御手段とは、温度変化、電流注入、あるいは電圧印加などにより導波路の屈折率を変化させる装置である。導波路の屈折率を変調することにより、反射波長を可変にすることができる。これにより、光スイッチを構成できるようになる。また第８の発明のように複数の波長可変フィルタを組み合わせた場合は、透過光の透過帯域幅を可変にすることができ、光クロスコネクト装置等でノード間の接続を可変にできる。
【００３２】
前述した課題を解決する第１０の発明は、光を入力する入力ポートを有し、前記入力ポートから入力された光を複数のアームに分岐する第１カップラーと、前記アームに設けられた第１ないし第９のいずれかの発明に係る超周期構造グレーティング素子またはサンプルドグレーティング素子と、前記超周期構造グレーティング素子またはサンプルドグレーティング素子を透過した光を集光する第２カップラーとを有するマッハツェンダー干渉計において、更に、前記第１カップラーには出力ポートが設置され、前記超周期構造グレーティング素子またはサンプルドグレーティング素子において反射された光は、前記第１カップラーの出力ポートから出力されることを特徴とするマッハツェンダー干渉計である。
【００３３】
第１０の発明では、同じ特性を持つ波長フィルタ（超周期構造グレーティング素子またはサンプルドグレーティング素子）を両アームに備えたマッハツェンダー干渉計を構成し、反射光を入射光と別のポートに出力させる。このため、入力光と出力光が分離可能となりサーキュレータが不要となる。
【００３４】
前述した課題を解決する第１１の発明は、第１０の発明に係るマッハツェンダー干渉計を複数有し、前記複数のマッハツェンダー干渉計はそれぞれ、一方のマッハツェンダー干渉計の出力ポートと他方のマッハツェンダー干渉計の入力ポートとが光接続されると共に、前記一方のマッハツェンダー干渉計の有する超周期構造グレーティング素子またはサンプルドグレーティング素子が反射する光のＦＳＲと、前記他方のマッハツェンダー干渉計の有する超周期構造グレーティング素子またはサンプルドグレーティング素子が反射する光のＦＳＲとが異なることを特徴とするマッハツェンダー干渉計システムである。
【００３５】
第１１の発明では、ＦＳＲの異なる複数の波長可変フィルタ（超周期構造グレーティング素子またはサンプルドグレーティング素子）を多段に接続し、一つの波長可変フィルタでは実現が難しい広い波長域において、一波長のみ選択可能な波長可変波長域を得られるようにした。
【００３６】
前述した課題を解決する第１２の発明は、第１ないし第９のいずれかの発明に係る超周期構造グレーティング素子またはサンプルドグレーティング素子を有することを特徴とする光クロスコネクト装置である。
【００３７】
第１２の発明では、入力した波長多重信号における複数波長をまとめて選択でき、かつ、選択波長数及び選択波長の中心波長を変化させることができる光クロスコネクト装置とすることが可能である。
【００３８】
前述するように、本発明では、これまで実現できなかった、グレーティングによる半導体波長フィルタおよび半導体波長可変フィルタを、コンパクトかつ低コストで実現することができる。更に、これらを用いて低コストで高機能なマッハツェンダー干渉計及び光クロスコネクト装置が作製可能となる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を具体的に説明するが、以下の実施形態は本発明を限定するものではない。
【００４０】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るサンプルドグレーティング素子の概略斜視図（ａ）と、グレーティング部分の平面図（ｂ）である。同図（ａ）に示すように、サンプルドグレーティング素子１０は、基板（図示せず）と、前記基板上に形成されるガイド層１１−１と、コア層１２と、ガイド層１１−２とを積層形成してなり、グレーティング１３−１，１３−２，１３−３を両側壁部に設けた垂直グレーティング型半導体ハイメサ導波路である。２つのガイド層１１−１とコア層１２とから導波路が構成される。
【００４１】
グレーティング１３−１，１３−２，１３−３は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、同図（ｂ）に示すように、導波路幅ＷをΔｄの差幅で、及び２４０ｎｍの周期で変化させることで形成する。各グレーティング領域の長さは、１５μｍであり、各グレーティングに挟まれる領域（グレーティングの存在しない領域）の長さは６０μｍである。グレーティング領域とグレーティングの存在しない領域とを１ユニットとし、これを１６ユニット繰り返すことで、全長１．２ｍｍのサンプルドグレーティング素子とした。なお、同図には、代表的なグレーティング（３つ）を図示してある。
【００４２】
図２は、グレーティングを形成する導波路幅の差Δｄと結合係数との関係図である。グレーティングの結合係数は導波路幅の差Δｄに大きく依存し、導波路幅の差Δｄが大きくなるに従って結合係数も増加する。
【００４３】
したがって、フォトリソグラフィで導波路幅の差を入射端面１４側から徐々に変化させドライエッチングで垂直グレーティング型半導体ハイメサ導波路を形成することにより、簡単にアポダイゼーションが可能となる。なお、入射端面１４及び入射端面１４に対向する出力端面には無反射コーティングをした。
【００４４】
図３は、本実施形態で用いたエピタキシャル成長基板の概略構成図である。同図に示すように、エピタキシャル成長基板１５は、ＩｎＰ基板上にｎ−ＩｎＰ層（ドーピング濃度：１×１０^１８ｃｍ^−３）、ＩｎＧａＡｓＰ層（０．３μｍ、ｎｏｎ−ｏｐｅｄ）、ｐ⁻−ＩｎＰ層（１．２μｍ、ドーピング濃度：５×１０^１７ｃｍ^−３）、ｐ^＋−ＩｎＰ層（０．３μｍ、ドーピング濃度：１×１０^１８ｃｍ^−３）、ｐ^＋−ＩｎＧａＡｓ層（３０ｎｍ、ドーピング濃度：８×１０^１８ｃｍ^−３）を順次、積層形成してなる。ＩｎＰ層がガイド層であり、ＩｎＧａＡｓＰ層がコア層である。
【００４５】
本実施形態に係るサンプルドグレーティング素子の反射スペクトルを測定するため、結合係数の最大値ｋ_ｍａｘを１２０ｃｍ^−１とし、下記式１に従って各グレーティングを変化させて形成した。
【００４６】
【式１】

【００４７】
ここで、Ｎはサンプルドグレーティング素子の全長であり、１２００μｍ（１．２ｍｍ）、ｉは入射端面１４（図１参照）からの距離（μｍ）であり、０μｍから５μｍ毎に変化させた。
【００４８】
図４は、本実施形態に係るサンプルドグレーティング素子の反射スペクトルである。同図には、ｘの値を０．５　，１．０　，２．０　と変化させた結果を示している。ｘが大きくなるほど消光比は大きくなる一方、反射帯域幅は増大することが分かる。
【００４９】
本実施形態では、サンプルドグレーティング素子を用いて周期的なグレーティングを形成したが、超周期構造を持つＳｕｐｅｒ−Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ−Ｇｒａｔｉｎｇ（ＳＳＧ）を用いても同様の特性が得られた。本実施形態に係るサンプルドグレーティング素子は、波長フィルタ及び波長可変フィルタとして用いることができる。
【００５０】
［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態に係るサンプルドグレーティング素子の概略構成図（ａ）と、各グレーティングユニットに形成されたグレーティングの周期数を示すグラフ（ｂ）である。なお、同図（ａ）では、基板は省略してある。
【００５１】
同図（ａ）に示すように、各グレーティングユニットの長さを７５μｍとし、入力端面２０に最も近い第１グレーティングユニット１９−１ではグレーティング１７−１の周期数を１周期（グレーティングを構成する凸部が１個）、第２グレーティングユニット１９−２ではグレーティング１７−２の周期数を２周期（グレーティングを構成する凸部が２個）として形成した。サンプルドグレーティング素子１６全体としては、１６ユニットのグレーティングユニットを形成し、同図（ｂ）に示すように、導波路中央付近（第９のグレーティングユニット）で１ユニット中に最大の６０周期のグレーティングを形成し、素子の両端面に向かうにつれて、１ユニット中に形成されるグレーティングの周期数が少なくなるようにした。サンプルドグレーティング素子１６の全長は１．２ｍｍである。第１の実施形態では、基板面と垂直方向にグレーティングを形成したが、本実施形態では、基板面と水平方向にグレーティング（棒状の凸部）が形成されている。
【００５２】
従来の技術の欄で述べたように、埋め込み型のサンプルドグレーティング素子において結合係数を直接変化させるためには、エッチングの深さを変化させなければならないため、難しい成形工程が必要となる。そこで、本実施形態では、同図に示すようにエッチング深さを一定としてグレーティング（１７−１，１７−２，１７−３等）の高さを同一にすると共に、各ユニット毎にグレーティングの周期数（凸部の数）を変化させることにより、等価的に結合係数を変化させている。したがって、フォトリソグラフィの変更のみで、サンプルドグレーティング素子の作製が可能となる。
【００５３】
図６は、本実施形態に係るサンプルドグレーティング素子の反射スペクトルである。本実施形態に係るサンプルドグレーティング素子のスペクトルを実線で示し、第１の実施形態に係るサンプルドグレーティング素子のスペクトルを点線で示している。同図から、本実施形態では第１の実施形態とほぼ同等の特性が得られていることが分かる。本実施形態に係るサンプルドグレーティング素子は、波長フィルタ及び波長可変フィルタとして用いることができる。
【００５４】
［第３の実施形態］
図７は、本発明の第３の実施形態に係るサンプルドグレーティング素子の概略斜視図である。同図に示すように、サンプルドグレーティング素子２１は、ＩｎＰ基板２４の上に第１ガイド層であるガイド層（ＩｎＰ層）２２−１と、コア層（ＩｎＧａＡｓＰ層）２３と、第２ガイド層であるガイド層（ＩｎＰ層）２２−２とが順次積層形成されると共に、コア層２３にはエアギャップ２５が形成され、コア層２３と上部のガイド層２２−２とは直接接合（ダイレクトボンディング）されてなる。ガイド層２２−１とコア層２３とガイド層２２−２とから導波路が構成される。
【００５５】
通常、埋め込み型のグレーティングでは、コア層である膜厚０．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ層を０．１μｍ程度エッチングし、エッチングした基板をを再成長させてグレーティング導波路を作製する。これは再成長時に段差が大きいと平坦に埋め込むことができないという制限からである。このため結合係数を大きくとることができなかった。
【００５６】
しかしながら、グレーティングは、結合係数が大きいほど反射スペクトルの半値幅が大きくなるという特徴があり、使用用途によっては大きな結合係数を有するグレーティングが要求される。
【００５７】
このため、本実施形態では、再成長によりグレーティング導波路を形成するのではなく、コア層（ＩｎＧａＡｓＰ層）２３を有するＩｎＰ基板２４と、ガイド層（ＩｎＰ層）２２−２を成長させた別のＩｎＰ基板（図示せず）とを直接接合（ダイレクトボンディング）により貼り付け、その後、図示しないＩｎＰ基板を除去することにより、グレーティング導波路を形成する。もちろん、除去するＩｎＰ基板はどちらか一方の基板で良く、ガイド層２２−２の上部に存在する図示しないＩｎＰ基板を残して、他方のＩｎＰ基板２４を除去しても良い。
【００５８】
この際に、コア層（ＩｎＧａＡｓＰ層）２３には、エッチングによりエアギャップ２５を形成しグレーティングとする。この場合、グレーティングはＩｎＧａＡｓＰ層２３とエアギャップ２５とからなるため、大きな結合係数をとることができる。また、結合係数を調整するために、ＩｎＧａＡｓＰ層２３の全部をエッチングにより除去するのではなく、一部をエッチングすることによって任意の結合係数を得ることができる。すなわち、結合係数はエアギャップ部分の高さに比例して大きくなるので、エッチング深さを調整することにより結合係数を調整することが可能となる。
【００５９】
本実施形態では、直接接合により二つの基板を接着する方法を用いたが、これに限ったものでなく、接着剤やポリイミド等で接着することによっても同様の効果が得られる。また、エアギャップはコア層に設けるのではなくガイド層であるＩｎＰ層に設けても良い。本実施形態に係るサンプルドグレーティング素子は、波長フィルタ及び波長可変フィルタとして用いることができる。
【００６０】
［第４の実施形態］
図８は、本発明の第４の実施形態に係るサンプルドグレーティング素子の概略斜視図である。同図に示すように、サンプルドグレーティング素子２６は、基板２９の上にガイド層２７−１と、コア層２８と、ガイド層２７−２とが順次積層形成されると共に、コア層２８の下まで垂直にエッチングしたハイメサ導波路構造を有する。ガイド層２７−１とコア層２８とガイド層２７−２とから導波路が構成される。
【００６１】
前記第２の実施形態（図５）および第３の実施形態（図７）では、コア層の厚さが０．３μｍ、幅が２μｍ程度と長方形となっているため、入射光の偏波により等価屈折率が異なり、反射スペクトルの中心波長等が異なる。このような偏波依存性は使用用途によっては問題となる。
【００６２】
そこで、本実施形態では、図８に示すようにコア層２８の下まで垂直にエッチングしたハイメサ導波路構造とすることにより、偏波依存性を解消している。ハイメサ導波路構造として境界面を空気とにより形成し、更に導波路幅を適当に選択することで、基板に水平方向と垂直方向とで等価屈折率を等しくすることができる。この結果、偏波依存性を解消することができる。本実施形態に係るサンプルドグレーティング素子は、波長フィルタ及び波長可変フィルタとして用いることができる。
【００６３】
［第５の実施形態］
図９は、本発明の第５の実施形態に係るサンプルドグレーティング素子について再成長前のコア層にグレーティングを形成した状態の概略平面図（ａ）、各グレーティングの幅を示すグラフ（ｂ）である。同図に示すように、第１〜第７の各グレーティング３３−１〜３３−７における、グレーティングの幅を徐々に変化させることによりアポダイゼーションを行った。
【００６４】
グレーティング幅の変化については、同図（ｂ）に示すように、入射端面３４に最も近い第１グレーティング３３−１から、各グレーティング毎に徐々にグレーティング幅を大きくすると共に、サンプルドグレーティング素子３０の中央付近（第９グレーティング）で最大のグレーティング幅１．８μｍとした後、入射端面３４に対向する出力端面に向かうにつれてグレーティング幅が徐々に小さくなるようにする。
【００６５】
本実施形態のサンプルドグレーティング素子３０においては、位相シフト型の超周期構造グレーティングを用いた。本実施形態においても、前記実施形態と同様に高い消光比を持つグレーティング素子を作製することができた。本実施形態に係るサンプルドグレーティング素子は、波長フィルタ及び波長可変フィルタとして用いることができる。
【００６６】
［第６の実施形態］
図１０は、本発明の第６の実施形態に係るマッハツェンダー干渉計の概略構成図である。同図に示すように、マッハツェンダー干渉計３５は、２本のアーム３９−１，３９−２と、この２本のアーム３９−１，３９−２に跨がって設置される３−ｄＢカップラー３８−１，３８−２と、アーム３９−１，３９−２に接続される波長フィルタであるアポダイズドサンプルドグレーティング（ＡＳＧ）３６−１，３６−２と、それぞれのＡＳＧ３６−１，３６−２に接続される電極３７−１，３７−２とからなる。
【００６７】
２つのＡＳＧ３６−１，３６−２は、１つのグレーティングユニットの長さが７５μｍ、グレーティング領域の長さが１５μｍのグレーティングを有すると共に、同じ中心波長及び同じＦＳＲを有する。
【００６８】
本実施形態に係るマッハツェンダー干渉計３５の作動原理は以下の通りである。マッハツェンダー干渉計３５に入力された入力光（３−ｄＢカップラー３８−１の入力ポートから入力）は、第１カップラーである３−ｄＢカップラー３８−１により等しく２つのアーム３９−１，３９−２に分岐され、それぞれのＡＳＧ３６−１，３６−２に入射する。それぞれのＡＳＧ３６−１，３６−２では同じ波長の光が反射され、再び３−ｄＢカップラー３８−１に入射する。このとき、反射した２つの光は同位相となるため、入力ポートと異なる出力ポート（図の下側のポート）から出力光として出力される。この結果、入力光と出力光が別のポートを通過するので、サーキュレータ等の高価な光部品が不要となり、デバイスの低コスト化に有利となる。また、ＡＳＧ３６−１，３６−２を透過した透過光は、第２カップラーである３−ｄＢカップラー３８−２において干渉して、図の下側のポートから損失なく出力される。
【００６９】
更に、ＡＳＧ３６−１，３６−２に温度変化を与えたり、電流注入または電圧印加などを行うことにより、導波路の屈折率を変化させることができる結果、ＡＳＧ３６−１，３６−２の反射する光の波長を変化させることができる。
【００７０】
本実施形態に係るマッハツェンダー干渉計３５では、例えば、ＡＳＧ３６−１，３６−２の導波路をｎ−ＩｎＰ層、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層、ｐ−ＩｎＰ層からなるダイオード構造とし、ＡＳＧ３６−１，３６−２に屈折率制御手段である電極３７−１，３７−２から等量の電流を注入することにより、導波路の屈折率を減少させ、反射スペクトルを短波長側にシフトさせることができる。この結果、光波長可変フィルタとして機能させることができる。電流注入による屈折率変化を利用した場合には、ナノ秒程度の高速な応答で反射スペクトルを変化させることができるため、この光波長可変フィルタを用いて光パケットスイッチ等も構成することができる。
【００７１】
［第７の実施形態］
図１１は、本発明の第７の実施形態に係るマッハツェンダー干渉計システムの概略構成図である。同図に示すように、マッハツェンダー干渉計システム４０は、図１０に示すマッハツェンダー干渉計を２つ接続してなる。
【００７２】
「一方のマッハツェンダー干渉計」である第１のマッハツェンダー干渉計４６−１は、２本のアーム４４−１，４４−２と、この２本のアーム４４−１，４４−２に跨がって設置される３−ｄＢカップラー４３−１，４３−２と、アーム４４−１，４４−２に接続される波長フィルタであるアポダイズドサンプルドグレーティング（ＡＳＧ）４１−１，４１−２と、それぞれのＡＳＧ４１−１，４１−２に接続される電極４２−１，４２−２とからなる。
【００７３】
「他方のマッハツェンダー干渉計」である第２のマッハツェンダー干渉計４６−２は、２本のアーム４４−３，４４−４と、この２本のアーム４４−３，４４−４に跨がって設置される３−ｄＢカップラー４３−３，４３−４と、アーム４４−３，４４−４に接続される波長フィルタであるアポダイズドサンプルドグレーティング（ＡＳＧ）４１−３，４１−４と、それぞれのＡＳＧ４１−３，４１−４に接続される電極４２−３，４２−４とからなる。
【００７４】
第１のマッハツェンダー干渉計４６−１と第２のマッハツェンダー干渉計４６−２とは、「一方の出力ポート」である３−ｄＢカップラー４３−１に設けられた出力ポートと「他方の入力ポート」である３−ｄＢカップラー４３−３に設けられた入力ポートとが光ファイバ４７により接続されている。第１のマッハツェンダー干渉計４６−１の２つのＡＳＧ４１−１，４１−２は、１つのグレーティングユニットの長さが７５μｍ、グレーティング領域の長さが１５μｍのグレーティングを有し、共に同じ中心波長及び同じＦＳＲを有する。一方、第２のマッハツェンダー干渉計４６−２の２つのＡＳＧ４１−３，４１−４は、１つのグレーティングユニットの長さが６０μｍ、グレーティング領域の長さが１５μｍのグレーティングを有し、共に同じ中心波長及び同じＦＳＲを有する。ＡＳＧ４１−１，４１−２とＡＳＧ４１−３，４１−４とは異なるＦＳＲを有し、本実施形態では、ＦＳＲの異なる波長可変フィルタを多段に接続してなる。
【００７５】
本実施形態に係るマッハツェンダー干渉計システム４０の作動原理は、基本的には第６の実施形態に係るマッハツェンダー干渉計と同様であり、以下、簡単に説明する。第１マッハツェンダー干渉計４６−１に入力された入力光４５−１は、第６の実施形態と同様の原理により、一定の共振波長の光が出力光４５−２として反射、出力される。出力光４５−２は、入力光４５−３として第２マッハツェンダー干渉計４６−２に入力される。そして第６の実施形態と同様の原理により、出力光４５−４が反射、出力される。このとき、第１と第２のマッハツェンダー干渉計では、共振波長の周期（ＦＳＲ）が異なっているため、出力光４５−４は両方のマッハツェンダー干渉計で共振波長が一致する波長のみが出力される。
【００７６】
図１２は、本実施形態に係るマッハツェンダー干渉計の出力スペクトルである。同図において、実線は本実施形態に係る素子の出力スペクトルであり、点線はＦＳＲの異なるＡＳＧ４１−１（４１−２）と４１−３（４１−４）との反射スペクトルをそれぞれ示している。同図から分かるように、ＦＳＲが２４．０ｎｍ、消光比が３７．４ｄＢ、損失が１．８ｄＢという結果が得られた。
【００７７】
また、本実施形態に係る素子の３ｄＢ透過帯域は７０ＧＨｚであり、平坦な特性が得られている。この結果、透過信号速度が４０ＧＨｚ程度と高速となった場合にも良好なフィルタリングが可能である。第６の実施形態で説明したように、ＡＳＧ４１−１〜４　に温度変化を与えたり、電流注入または電圧印加などを行うことにより、それぞれの導波路の屈折率を変化させることができる結果、ＦＳＲ２４．０ｎｍという広いの範囲内で任意の波長を一つだけ選択することができる。
【００７８】
［第８の実施形態］
図１３は、本発明の第８の実施形態に係るサンプルドグレーティング素子の概略斜視図である。同図に示すように、サンプルドグレーティング素子５０は、第１から第３のアポダイズドサンプルドグレーティング（ＡＳＧ）５１−１，５１−２，５１−３が直列に接続された構造となっており、ガイド層５３の上面には３つのヒーター５２−１，５２−２，５２−３が各ＡＳＧ５１−１，５１−２，５１−３に対応するように設置されている。
【００７９】
ＡＳＧ５１−１，５１−２，５１−３は、結合係数１０００ｃｍ^−１のグレーティングを有し、ＡＳＧにおける各グレーティングユニットの長さは、第１ＡＳＧ５１−１の場合に２０μｍ、第２ＡＳＧ５１−２の場合に２０．７μｍ、第３ＡＳＧ５１−３の場合に２０．１３μｍとした。本実施形態においては、すべてのＡＳＧ５１−１，５１−２，５１−３で反射されない波長の光信号が透過光となり、残りの波長の光は反射光としてサーキュレータ５４を介して出力される。
【００８０】
図１４は、各ＡＳＧ５１−１，５１−２，５１−３の反射スペクトルである。同図に示すように、各ＡＳＧ５１−１，５１−２，５１−３は同じＦＳＲであると共に、それぞれわずかに反射ピーク波長が異なった反射特性を示す。図４に示す反射スペクトルを有する３つのＡＳＧを直列に接続した場合、第１〜第３ＡＳＧ５１−１，５１−２，５１−３によって反射されない波長の光信号のみ（同図において、第１ＡＳＧの反射ピークと第３ＡＳＧの反射ピークの間に存在する低反射率の波長帯域の光信号）が透過光となる。
【００８１】
本実施形態では、ガイド層５３の上部に設けられた３つのヒーター５２−１，５２−２，５２−３により、各ＡＳＧ５１−１，５１−２，５１−３の屈折率を変化させ、反射スペクトルの中心波長を変化させることができる。
【００８２】
図１５は、加熱による第１ＡＳＧ５１−１の反射特性の変化を示す図である。ヒーター５２−１により第１ＡＳＧ５１−１を加熱することで、第１ＡＳＧ５１−１の導波路部分の屈折率は大きくなり、長波長側に反射ピークがシフトする。
【００８３】
図１６は、第１ＡＳＧ５１−１の加熱によるサンプルドグレーティング素子５０の透過特性の変化を示す図である。ヒーター５２−１により第１ＡＳＧ５１−１を加熱することで、素子５０の透過スペクトルについては、加熱前と加熱後で大きく透過帯域幅が変化する。入力信号としてＷＤＭ信号を入射したような場合には、より多くの波長の信号を出力することができる。本実施形態に係るサンプルドグレーティング素子は、波長フィルタ及び波長可変フィルタとして用いることができる。
【００８４】
［第９の実施形態］
図１７は、本発明の第９の実施形態に係る光クロスコネクト装置の概略構成図である。同図に示すように、光クロスコネクト装置６０は、ｎ本の入力用の光ファイバ６１−１，６１−２，６１−ｎ（図には３本のみ示す）と、２ｎ個のサーキュレータ６２−１，６２−２，６２（図には６個のみ示す）と、３ｎ個の波長可変フィルタ６３−１，６３−２，６３−３，６３（図には９個のみ示す）と、３ｎ個の波長変換素子６４−１，６４−２，６４−３，６４（図には９個のみ示す）と、光ファイバ６８と、スターカップラー６７−１，６７−２，６７−ｎ（図には３個のみ示す）と、出力用の光ファイバ６６−１，６６−２，６６−ｎ（図には３本のみ示す）とからなる。なお、ｎは正の整数である。
【００８５】
波長可変フィルタ６３−１，６３−２，６３−３，６３には、第８の実施形態（図１３参照）に示すサンプルドグレーティング素子を用いている。各波長変換素子６４−１，６４−２，６４−３，６４とスターカップラー６７−１，６７−２，６７−ｎとは複数の光ファイバ６８で接続されている。
【００８６】
以下、図１７に基づき、入力用の光ファイバ６１−１に入力された光を例として、光クロスコネクト装置６０の作動原理を説明する。入力用の光ファイバ６１−１に入力された波長多重光はサーキュレータ６２−１を介して波長可変フィルタ６３−１に入射する。波長可変フィルタ６３−１に入射した波長多重光は、第８の実施形態で説明する原理に基づいて、複数波長の光信号が波長可変フィルタ６３−１を透過して波長変換素子６４−１に入力すると共に、それ以外の波長の光信号が波長可変フィルタ６３−１で反射してサーキュレータ６２−１に入力される。サーキュレータ６２−１に入力された光信号は、光ファイバ６１−１からの入力光と分離され、サーキュレータ６２−２を介して次段の波長可変フィルタ６３−２に入射する。
【００８７】
同様にして、波長可変フィルタ６３−２，６３−３及びサーキュレータ６２−２を光が通過することにより、複数の波長変換素子６４−１，６４−２，６４−３にそれぞれ複数の波長群が入力される。波長変換素子６４−１，６４−２，６４−３では、出力用の光ファイバ６６−１，６６−２，６６−ｎ内で波長が重複しないように波長を変換する。次に、光ファイバ６８により、スターカップラー６７−１，６７−２，６７−ｎを介して波長群毎に所望の光ファイバ６６−１，６６−２，６６−ｎから出力する。
【００８８】
同図に示した、光ファイバ６１−２，６１−ｎに入力された光も、前述する作動原理に従い、出力用の光ファイバ６６−１，６６−２，６６−ｎから出力され、全体として光クロスコネクト動作を行う。この結果、波長毎に選択する光クロスコネクト装置に較べて、本実施形態では素子数、光ファイバ６８の数を大幅に削減することが可能となり光クロスコネクト装置の低価格化が可能となる。もちろん、波長可変フィルタとして第６の実施形態（図１０）や第７の実施形態（図１１）に示すマッハツェンダー干渉計を用いることにより、サーキュレータが不要となり、光クロスコネクト装置をモノリシックに構成することができるため、より低コスト化が可能となる。
【００８９】
なお、本実施形態においては、入力用光ファイバの数をｎ本として、サーキュレータを２ｎ個、波長可変フィルタ及び波長変換素子を共に３ｎ個、スターカップラーをｎ個、出力用光ファイバをｎ本とした例を示したが、本発明は各部材について例示した数に限定されるものではない。例えば、入力用光ファイバ１本に対して波長変換フィルタ及び波長変換素子は３本より多くても良く、４本，　５本、　６本以上を接続しても良い。また、サーキュレータの数は、波長変換フィルタの数に対応させて設置すればよい。
【００９０】
なお、前記第１から第９の実施形態では、ＩｎＰ系の化合物半導体を用いたが、本発明はこれに限られず、例えばＧａＡｓ系やＳｉとＳｉ０_２やポリイミドなどで構成されるシリコン細線導波路でも同様に素子を作成することができる。また、半導体アンプと集積することにより素子の損失をなくしたり、受光素子を集積することも可能である。
【００９１】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体のグレーティングを用いて波長フィルタおよび波長可変フィルタを作製することで、波長フィルタおよび波長可変フィルタを高消光比、低損失かつ低コストで実現することができる。また、本発明に係る波長フィルタおよび波長可変フィルタを用いることにより、波長をまとめて制御可能な光クロスコネクト装置を構成することが可能となり、光クロスコネクト装置の低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るサンプルドグレーティング素子の概略斜視図（ａ）と、グレーティング部分の平面図（ｂ）である。
【図２】グレーティングを形成する導波路幅の差Δｄと結合係数との関係図である。
【図３】第１の実施形態で用いたエピタキシャル成長基板の概略構成図である。
【図４】第１の実施形態に係るサンプルドグレーティング素子の反射スペクトルである。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るサンプルドグレーティング素子の概略構成図（ａ）と、各グレーティングユニットに形成されたグレーティングの周期数を示すグラフ（ｂ）である。
【図６】第２の実施形態に係るサンプルドグレーティング素子の反射スペクトルである。
【図７】本発明の第３の実施形態に係るサンプルドグレーティング素子の概略斜視図（ａ）である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係るサンプルドグレーティング素子の概略斜視図である。
【図９】本発明の第５の実施形態に係るサンプルドグレーティング素子について再成長前のコア層にグレーティングを形成した状態の概略平面図（ａ）と、各グレーティングの幅を示すグラフ（ｂ）である。
【図１０】本発明の第６の実施形態に係るマッハツェンダー干渉計の概略構成図である。
【図１１】本発明の第７の実施形態に係るマッハツェンダー干渉計システムの概略構成図である。
【図１２】第７の実施形態に係るマッハツェンダー干渉計システムの出力スペクトルである。
【図１３】本発明の第８の実施形態に係るサンプルドグレーティング素子の概略斜視図である。
【図１４】第８の実施形態に係るサンプルドグレーティング素子を構成する各ＡＳＧの反射スペクトルである。
【図１５】加熱による第１ＡＳＧの反射特性の変化を示す図である。
【図１６】第１ＡＳＧの加熱によるサンプルドグレーティング素子の透過特性の変化を示す図である。
【図１７】本発明の第９の実施形態に係る光クロスコネクト装置の概略構成図である。
【図１８】従来のサンプルドグレーティング素子の一例を示す概略構成図である。
【図１９】従来のサンプルドグレーティング素子で形成された波長フィルタの反射スペクトルである。
【図２０】アポダイゼーションを適用した従来のアポダイズドサンプルドグレーティング素子の概略構成図（ａ）と、導波路に沿った方向ｚと結合係数ｋとの関係図（ｂ）である。
【図２１】従来のアポダイズドサンプルドグレーティング素子を想定して計算した反射スペクトルである。
【符号の説明】
１，１０，１６，２１，２６，３０，５０　　サンプルドグレーティング素子
２，１１，１１−１，１１−２，１７，２２−１，２２−２，２７−１，２７−２，５３　　ガイド層
３，１２，１８，２３，２８　　コア層
４，４−１　，４−２　，４−３　，１３−１〜３　，１７−１〜３　　　グレーティング
１９−１〜３　　　第１〜第３グレーティングユニット
５　　アポタイズドサンプルドグレーティング
１４，２０，３４　　入射端面
１５　　エピタキシャル成長基板
２４　　ＩｎＰ基板
２５　　エアギャップ
２９　　基板
３３−１〜７　　　第１〜第７グレーティング
３５　　マッハツェンダー干渉計
３６−１，３６−２，４１−１〜４　　　ＡＳＧ
３７−１，３７−２，４２−１〜４　　　電極
３８−１，３８−２，４３−１〜４　　　３−ｄＢカップラー
３９−１，３９−２，４４−１〜４　　　アーム
４０　　マッハツェンダー干渉計システム
４５−１，４５−３　　入力光
４５−２，４５−４　　出力光
４６−１　　第１マッハツェンダー干渉計
４６−２　　第２マッハツェンダー干渉計
４７　　光ファイバ
５１−１〜３　　　第１〜第３ＡＳＧ
５２−１〜３　　　ヒーター
５４　　サーキュレータ
６０　　光クロスコネクト装置
６１−１，６１−２，６１−ｎ　　光ファイバ
６２，６２−１，６２−２　　サーキュレータ
６３，６３−１〜３　　　波長可変フィルタ
６４，６４−１〜３　　　波長変換素子
６６−１，６６−２，６６−ｎ　　光ファイバ
６７−１，６７−２，６７−ｎ　　スターカップラー
６８　　　光ファイバ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a super-periodic structure grating element and a sampled grating element that can be applied as a wavelength filter or a wavelength tunable filter, and also relates to a Mach-Zehnder interferometer and an optical cross-connect device using the same. It can be applied as an important optical component.
[0002]
[Prior art]
In order to cope with the explosive increase in traffic on the Internet in recent years, wavelength multiplexing is used for transmission between nodes to increase the transmission capacity between nodes. A wavelength filter or a wavelength tunable filter is an important component that is indispensable in such wavelength multiplex transmission. Also, an optical cross-connect device is configured using these elements.
[0003]
FIG. 18 is a schematic configuration diagram showing an example of a conventional sampled grating element. As shown in FIG. 1, the sampled grating element 1 is formed by forming a plurality of gratings 4 of a fixed length at a fixed period on a core layer 3 sandwiched between guide layers 2. According to this sampled grating element, it is possible to extract a wavelength at a constant period, and therefore, in a situation where wavelength multiplex transmission is required, it is expected to be used in an optical cross-connect device or the like that simultaneously selects a plurality of wavelengths. You.
[0004]
FIG. 19 is a reflection spectrum of a wavelength filter formed by the conventional sampled grating element shown in FIG. As shown in the figure, it can be seen that the reflection intensity increases at a certain FSR (for example, see Non-Patent Document 1). The FSR (Free Spectral Range: free spectral region) refers to a frequency interval between adjacent peaks in reflected light.
[0005]
[Non-patent document 1]
V. Jayaraman, 3 others, "Extended Tuning Range in Sampled Grating DBR Lasers", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, USA, 1993, Vol. 5, No. 5, p. 489-492
[0006]
However, in a sampled grating device, side lobes generally appear outside a resonance peak at which a large reflectance is obtained, and since these side lobes have a certain degree of reflectance, the extinction ratio of the reflection spectrum (the reflectance of the resonance peak and the side lobe). (The ratio with respect to the reflectance). When a sampled grating element is used for a laser (see Non-Patent Document 1), the small extinction ratio is not an important problem, but it is a problem when it is used as a wavelength filter. The extinction ratio of the reflection spectrum shown in FIG. 19 is small, and is only about 10 dB.
[0007]
As means for solving this problem, there is apodization used in fiber Bragg gratings and the like. FIG. 20 is a schematic configuration diagram (a) of a conventional apodized sampled grating element to which apodization is applied, and a relationship diagram (b) between a direction z along a waveguide and a coupling coefficient k.
[0008]
As shown in FIG. 1A, the apodized sampled grating element 5 has gratings 4-1 4-2, and 4-3 formed on a core layer 3 sandwiched between guide layers 2. FIG. 3 shows three typical gratings. The gratings 4-1, 4-2, and 4-3 are formed with a constant period and a constant length, and the depth of etching when forming each grating is shallow at the incident side grating 4-1, and the center of the element ( The grating is formed so as to be deepest near the grating 4-2 near the center between the input / output end faces and gradually shallower at the grating 4-3 on the output side. This allows the coupling coefficient to be smoothly changed along the waveguide, as shown in FIG.
[0009]
FIG. 21 is a reflection spectrum calculated assuming the apodized sampled grating element shown in FIG. The solid line is the reflection spectrum of the sampled grating element, and the dotted line is the reflection spectrum of the apodized sampled grating element. As shown in the figure, it can be seen that the extinction ratio can be significantly improved in the apodized sampled grating element as compared with a normal sampled grating element.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to form the apodized gratings 4-1, 4-2, and 4-3 by etching, the depth of the grating must be changed along the waveguide, and sophisticated processing control is required.
[0011]
The present invention has been made in view of such a situation, and forms a wavelength filter or a wavelength tunable filter having a large extinction ratio by suppressing a side lobe by a practical method, and further uses a Mach-Zehnder using these elements. It is an object to provide an interferometer and an optical cross-connect device.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, a waveguide formed on a substrate has a plurality of gratings, and a super-periodic grating element or a sampled grating that outputs only light having a certain FSR wavelength as reflected light. In the device, the grating periodically changes the width of the waveguide and is formed in a direction perpendicular to the substrate. The plurality of gratings are arranged such that the closer the grating is to the input / output end face of the waveguide, the more the periodicity increases. The difference between the widths of the waveguides which changes periodically is small, and the difference in the width of the periodically changing waveguides increases as the grating is closer to the center between the input and output end faces of the waveguide.
[0013]
In the first invention, a vertical grating type semiconductor in which a waveguide width is periodically changed is used. In this case, since the coupling coefficient of the grating depends on the difference in the waveguide width of the grating portion, the apodization can be easily performed by, for example, changing the waveguide width by photolithography and forming a vertical grating type semiconductor high mesa waveguide by dry etching. It becomes.
[0014]
By performing apodization for gradually changing the coupling coefficient of the grating, the side lobe of the reflection spectrum can be reduced and the extinction ratio can be improved.
[0015]
A second invention for solving the above-mentioned problem is a sampled grating element in which a waveguide formed on a substrate has a plurality of gratings and outputs only light having a certain FSR wavelength as reflected light. , The width of the waveguide is periodically changed, the waveguide is formed in a direction perpendicular to the substrate, and the plurality of gratings are closer to the input / output end face of the waveguide. As the difference in width becomes smaller, the number of protrusions constituting the grating becomes smaller, and the closer the grating is to the center between the input and output end faces of the waveguide, the larger the difference in the width of the periodically changing waveguide becomes. It is characterized in that the number of projections constituting the grating increases.
[0016]
A third invention for solving the above-mentioned problem is a buried type in which a waveguide formed on a substrate has a plurality of gratings in a horizontal direction with respect to the substrate, and outputs only light having a certain FSR wavelength as reflected light. In the sampled grating element, the plurality of gratings has a smaller number of convex portions constituting the grating as the grating is closer to the input / output end face of the waveguide, and the grating is closer to the center between the input / output end faces of the waveguide. It is characterized in that the number of convex portions constituting the grating increases.
[0017]
In the third invention, a method of equivalently changing the coupling coefficient by using a buried grating waveguide having a grating in the horizontal direction with respect to the substrate is used. Therefore, in the element, the number of protrusions is smaller as the grating is closer to the input / output end face of the waveguide, and the number of protrusions is larger as the grating is closer to the center between the input / output end faces of the waveguide, that is, The ratio of the existing portion and the non-existing portion gradually increases along the traveling direction of light from the input end face, the ratio becomes largest near the center of the waveguide, and then gradually decreases. As a result, the coupling coefficient changes equivalently and apodization becomes possible.
[0018]
The grating consists of one or more convex parts, and if one convex part and a part immediately before the adjacent convex part are one cycle, two convex parts are equivalent to two periods and three convex parts are equivalent to three periods. I do.
[0019]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a buried type in which a waveguide formed on a substrate has a plurality of gratings in a horizontal direction with respect to the substrate, and outputs only light having a certain FSR wavelength as reflected light. In the super-periodic structure grating element or the buried type sampled grating element, the plurality of gratings have a narrower grating width as the grating is closer to the input / output end face of the waveguide, and the grating is closer to the center between the input / output end faces of the waveguide. It is characterized in that the grating width increases as the grating width increases.
[0020]
In the fourth invention, the coupling coefficient is changed by changing the width of the grating. The grating width is defined as a rod-like convex portion in a grating (an optical axis and a long axis of the rod-like grating formed at right angles) formed by a rod-like convex portion formed perpendicular to the propagation direction of light propagating in the waveguide. , That is, the length of the protrusion in the direction perpendicular to the light propagation direction is called the grating width.
[0021]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a buried type in which a waveguide formed on a substrate has a plurality of gratings in a horizontal direction with respect to the substrate, and outputs only light having a certain FSR wavelength as reflected light. In the sampled grating element, the plurality of gratings are such that the closer the grating is to the input / output end face of the waveguide, the smaller the number of convex portions constituting the grating and the narrower the grating width, and the more the gap between the input / output end face of the waveguide. Is characterized in that the closer to the center of the grating, the greater the number of projections constituting the grating and the wider the grating width.
[0022]
A sixth invention for solving the above-mentioned problem is a buried super-periodic structure grating element or a buried sampled grating element according to any one of the third to fifth inventions, wherein the waveguide is formed on the substrate. A first guide layer provided on the first guide layer, a core layer provided on the first guide layer and having a plurality of gratings, and a second guide layer provided on the core layer. The core layer and the second guide layer may be directly bonded or bonded with an adhesive or polyimide.
[0023]
Since the half width of the reflection spectrum output from the grating element is proportional to the coupling coefficient of the grating, it is necessary to deeply etch the grating in order to obtain a characteristic having a large reflection bandwidth. However, in the buried type grating element, it is necessary to bury the grating by regrowth, so that the etching depth of the grating is limited and it is difficult to obtain a large coupling coefficient.
[0024]
Therefore, a sixth aspect of the invention is characterized in that a waveguide is formed by directly bonding or using an adhesive or the like instead of embedding the grating by regrowth. As a result, a large coupling coefficient can be obtained without using an advanced molding technique. The air gap forming the grating can be formed, for example, by etching.
[0025]
As a method for manufacturing the element according to the sixth invention, for example, a substrate having a first guide layer and a core layer (with a grating formed) on the upper surface and a substrate having a second guide layer on the upper surface are manufactured. Then, both substrates may be directly bonded to each other by an adhesive or the like so as to bond between the core layer and the second guide layer, and then one of the substrates may be deleted.
[0026]
A seventh invention for solving the above-mentioned problem is characterized in that, in any one of the first to sixth inventions, the waveguide has a high-mesa structure.
[0027]
In the seventh invention, since the polarization dependence of the grating in the horizontal direction with respect to the substrate may become a problem, the polarization dependence of the incident light is reduced by forming a high mesa structure in which the waveguide is etched below the core layer. To eliminate.
[0028]
An eighth invention for solving the above-mentioned problem has a plurality of super-periodic structure grating elements or sampled grating elements according to any one of the first to seventh inventions, wherein the plurality of super-periodic structure grating elements or sampled grating elements are provided. The grating elements each output only the same FSR wavelength light as reflected light, and the plurality of super-periodic structure grating elements or the sampled grating elements have different peak wavelengths of reflected light. Alternatively, it is characterized in that sampled grating elements are connected in series.
[0029]
According to the eighth aspect of the present invention, in a case where a plurality of wavelengths (wavelength groups) are switched at once instead of switching paths for each wavelength as in an optical cross-connect device, the FSRs are equal and the reflection peak wavelengths are different. By using a configuration in which a plurality of tunable filters (super-periodic structure grating elements or sampled grating elements) are connected in series, it is possible to extract a plurality of transmission wavelengths at once by modulating the refractive index of each waveguide. Will be possible.
[0030]
A ninth invention for solving the above-mentioned problem is characterized in that in any one of the first to eighth inventions, there is provided a refractive index control means for controlling a refractive index of the waveguide.
[0031]
The refractive index control means is a device that changes the refractive index of the waveguide by changing the temperature, injecting current, or applying a voltage. By modulating the refractive index of the waveguide, the reflection wavelength can be made variable. Thereby, an optical switch can be configured. When a plurality of wavelength tunable filters are combined as in the eighth aspect, the transmission bandwidth of transmitted light can be made variable, and the connection between nodes can be made variable with an optical cross-connect device or the like.
[0032]
A tenth invention for solving the above-mentioned problems has a first coupler having an input port for inputting light, branching light input from the input port to a plurality of arms, and a first coupler provided on the arm. Mach-Zehnder interference having a super-periodic structure grating element or a sampled grating element according to any one of the ninth to ninth aspects, and a second coupler for condensing light transmitted through the super-periodic structure grating element or the sampled grating element In the meter, further, an output port is provided in the first coupler, and light reflected by the super-periodic structure grating element or the sampled grating element is output from an output port of the first coupler. Mach-Zehnder interferometer.
[0033]
In the tenth aspect, a Mach-Zehnder interferometer having wavelength filters (super-periodic grating elements or sampled grating elements) having the same characteristics in both arms is configured to output reflected light to another port from incident light. . For this reason, input light and output light can be separated, and a circulator becomes unnecessary.
[0034]
An eleventh invention for solving the above-mentioned problem has a plurality of Mach-Zehnder interferometers according to the tenth invention, and each of the plurality of Mach-Zehnder interferometers has an output port of one Mach-Zehnder interferometer and another Mach-Zehnder interferometer. The input port of the Zender interferometer is optically connected, the FSR of light reflected by the super-periodic structure grating element or the sampled grating element of the one Mach-Zehnder interferometer, and the other Mach-Zehnder interferometer A Mach-Zehnder interferometer system characterized in that light reflected by a super-periodic grating element or a sampled grating element has a different FSR.
[0035]
In the eleventh invention, a plurality of tunable filters (super-periodic structure grating elements or sampled grating elements) having different FSRs are connected in multiple stages, and only one wavelength is selected in a wide wavelength range that is difficult to realize with one tunable filter. A possible wavelength variable wavelength range is obtained.
[0036]
A twelfth invention for solving the above-mentioned problem is an optical cross-connect device comprising the super-periodic structure grating element or the sampled grating element according to any one of the first to ninth inventions.
[0037]
According to the twelfth aspect, it is possible to provide an optical cross-connect device that can select a plurality of wavelengths in an input wavelength-division multiplexed signal at the same time and can change the number of selected wavelengths and the center wavelength of the selected wavelengths.
[0038]
As described above, according to the present invention, a semiconductor wavelength filter and a semiconductor wavelength tunable filter using a grating, which could not be realized until now, can be realized compactly and at low cost. Furthermore, using these, a low-cost and high-performance Mach-Zehnder interferometer and optical cross-connect device can be manufactured.
[0039]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings, but the following embodiments do not limit the present invention.
[0040]
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic perspective view (a) of a sampled grating element according to a first embodiment of the present invention, and a plan view (b) of a grating portion. As shown in FIG. 1A, a sampled grating element 10 includes a substrate (not shown), a guide layer 11-1, a core layer 12, and a guide layer 11-2 formed on the substrate. Are laminated, and gratings 13-1, 13-2, and 13-3 are provided on both side walls to form a vertical grating type semiconductor high mesa waveguide. A waveguide is composed of the two guide layers 11-1 and the core layer 12.
[0041]
The gratings 13-1, 13-2, and 13-3 change the waveguide width W by a difference width of Δd and a period of 240 nm by photolithography and dry etching as shown in FIG. Formed. The length of each grating region is 15 μm, and the length of the region sandwiched between the gratings (region where no grating exists) is 60 μm. The grating region and the region where no grating is present are defined as one unit, and this is repeated for 16 units to obtain a sampled grating element having a total length of 1.2 mm. Note that FIG. 3 shows representative gratings (three).
[0042]
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the difference Δd in the width of the waveguide forming the grating and the coupling coefficient. The coupling coefficient of the grating greatly depends on the waveguide width difference Δd, and the coupling coefficient increases as the waveguide width difference Δd increases.
[0043]
Therefore, apodization can be easily performed by gradually changing the difference in the waveguide width from the incident end face 14 side by photolithography and forming the vertical grating type semiconductor high mesa waveguide by dry etching. The incident end face 14 and the output end face facing the incident end face 14 were coated with an anti-reflection coating.
[0044]
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the epitaxial growth substrate used in the present embodiment. As shown in the figure, the epitaxial growth substrate 15 has an n-InP layer (doping concentration: 1 × 10 ¹⁸ cm ^-3 ), InGaAsP layer (0.3 μm, non-oped), p ⁻ -InP layer (1.2 μm, doping concentration: 5 × 10 ¹⁷ cm ^-3 ), P ⁺ -InP layer (0.3 μm, doping concentration: 1 × 10 ¹⁸ cm ^-3 ), P ⁺ -InGaAs layer (30 nm, doping concentration: 8 × 10 ¹⁸ cm ^-3 ) Are sequentially laminated. The InP layer is a guide layer, and the InGaAsP layer is a core layer.
[0045]
In order to measure the reflection spectrum of the sampled grating element according to the present embodiment, the maximum value k of the coupling coefficient is measured. _max 120cm ^-1 The grating was formed by changing each grating according to the following equation 1.
[0046]
(Equation 1)

[0047]
Here, N is the total length of the sampled grating element, 1200 μm (1.2 mm), and i is the distance (μm) from the incident end face 14 (see FIG. 1), and changed every 0 μm to 5 μm.
[0048]
FIG. 4 is a reflection spectrum of the sampled grating element according to the present embodiment. The figure shows the result of changing the value of x to 0.5, 1.0, 2.0. It can be seen that the extinction ratio increases as x increases, while the reflection bandwidth increases.
[0049]
In this embodiment, a periodic grating is formed using a sampled grating element. However, similar characteristics can be obtained by using a Super-Structure-Grating (SSG) having a super-periodic structure. The sampled grating element according to the present embodiment can be used as a wavelength filter and a wavelength variable filter.
[0050]
[Second embodiment]
FIG. 5 is a schematic configuration diagram (a) of a sampled grating element according to the second embodiment of the present invention, and a graph (b) showing the number of periods of the grating formed in each grating unit. Note that the substrate is omitted in FIG.
[0051]
As shown in FIG. 3A, the length of each grating unit is set to 75 μm, and the first grating unit 19-1 closest to the input end face 20 has one period of the grating 17-1 (a period constituting the grating). In the second grating unit 19-2, the number of periods of the grating 17-2 is set to two (two convex portions forming the grating). As a whole, the sampled grating element 16 forms a grating unit of 16 units, and as shown in FIG. 3B, a grating having a maximum of 60 periods in one unit near the center of the waveguide (a ninth grating unit). Was formed, and the number of periods of the grating formed in one unit was reduced toward both end surfaces of the element. The total length of the sampled grating element 16 is 1.2 mm. In the first embodiment, the grating is formed in a direction perpendicular to the substrate surface, but in the present embodiment, a grating (a bar-shaped projection) is formed in a direction horizontal to the substrate surface.
[0052]
As described in the section of the prior art, in order to directly change the coupling coefficient in the buried type sampled grating element, the etching depth must be changed, so that a difficult forming step is required. Therefore, in the present embodiment, as shown in the drawing, the heights of the gratings (17-1, 17-2, 17-3, etc.) are made the same while the etching depth is kept constant, and the grating period is set for each unit. By changing the number (the number of convex portions), the coupling coefficient is equivalently changed. Therefore, the sampled grating element can be manufactured only by changing the photolithography.
[0053]
FIG. 6 is a reflection spectrum of the sampled grating element according to the present embodiment. The spectrum of the sampled grating element according to the present embodiment is indicated by a solid line, and the spectrum of the sampled grating element according to the first embodiment is indicated by a dotted line. From the figure, it can be seen that in the present embodiment, substantially the same characteristics as in the first embodiment are obtained. The sampled grating element according to the present embodiment can be used as a wavelength filter and a wavelength variable filter.
[0054]
[Third Embodiment]
FIG. 7 is a schematic perspective view of a sampled grating element according to the third embodiment of the present invention. As shown in the figure, a sampled grating element 21 has a guide layer (InP layer) 22-1 as a first guide layer, a core layer (InGaAsP layer) 23, and a second guide layer on an InP substrate 24. And an air gap 25 is formed in the core layer 23, and the core layer 23 and the upper guide layer 22-2 are directly bonded (direct bonding). ) Have been. A waveguide is composed of the guide layer 22-1, the core layer 23, and the guide layer 22-2.
[0055]
Normally, in a buried grating, a 0.3 μm-thick InGaAsP layer serving as a core layer is etched by about 0.1 μm, and the etched substrate is regrown to produce a grating waveguide. This is due to the restriction that if the step is large at the time of regrowth, it cannot be buried flat. For this reason, it was not possible to increase the coupling coefficient.
[0056]
However, the grating is characterized in that the half width of the reflection spectrum increases as the coupling coefficient increases, and a grating having a large coupling coefficient is required depending on the application.
[0057]
For this reason, in the present embodiment, instead of forming the grating waveguide by regrowth, another InP substrate 24 having a core layer (InGaAsP layer) 23 and another guide layer (InP layer) 22-2 are grown. A grating waveguide is formed by attaching an InP substrate (not shown) by direct bonding (direct bonding) and then removing the InP substrate (not shown). Of course, one of the InP substrates to be removed may be used, and the other InP substrate 24 may be removed while leaving the InP substrate (not shown) existing above the guide layer 22-2.
[0058]
At this time, an air gap 25 is formed in the core layer (InGaAsP layer) 23 by etching to form a grating. In this case, since the grating is composed of the InGaAsP layer 23 and the air gap 25, a large coupling coefficient can be obtained. Further, in order to adjust the coupling coefficient, an arbitrary coupling coefficient can be obtained by etching a part of the InGaAsP layer 23 instead of removing the entirety by etching. That is, since the coupling coefficient increases in proportion to the height of the air gap portion, the coupling coefficient can be adjusted by adjusting the etching depth.
[0059]
In the present embodiment, the method of bonding the two substrates by direct bonding is used. However, the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained by bonding with an adhesive or polyimide. Further, the air gap may be provided not in the core layer but in the InP layer serving as a guide layer. The sampled grating element according to the present embodiment can be used as a wavelength filter and a wavelength variable filter.
[0060]
[Fourth embodiment]
FIG. 8 is a schematic perspective view of a sampled grating element according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in the figure, the sampled grating element 26 includes a guide layer 27-1, a core layer 28, and a guide layer 27-2 sequentially formed on a substrate 29, and It has a high-mesa waveguide structure vertically etched up to. A waveguide is composed of the guide layer 27-1, the core layer 28, and the guide layer 27-2.
[0061]
In the second embodiment (FIG. 5) and the third embodiment (FIG. 7), the core layer has a rectangular shape with a thickness of 0.3 μm and a width of about 2 μm. The equivalent refractive index is different, and the center wavelength of the reflection spectrum is different. Such polarization dependence poses a problem depending on the application.
[0062]
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 8, a polarization dependence is eliminated by adopting a high-mesa waveguide structure vertically etched to below the core layer 28. By forming a boundary surface with air as a high-mesa waveguide structure and further appropriately selecting the waveguide width, the equivalent refractive index in the horizontal direction and the vertical direction on the substrate can be made equal. As a result, the polarization dependence can be eliminated. The sampled grating element according to the present embodiment can be used as a wavelength filter and a wavelength variable filter.
[0063]
[Fifth Embodiment]
FIG. 9 is a schematic plan view (a) of the sampled grating element according to the fifth embodiment of the present invention in which a grating is formed on a core layer before regrowth, and a graph (b) showing the width of each grating. is there. As shown in the figure, apodization was performed by gradually changing the width of each of the first to seventh gratings 33-1 to 33-7.
[0064]
Regarding the change in the grating width, as shown in FIG. 7B, the grating width is gradually increased for each grating from the first grating 33-1 closest to the incident end face 34, and the sampled grating element 30 After the maximum grating width is 1.8 μm near the center (the ninth grating), the grating width is gradually reduced toward the output end face facing the incident end face 34.
[0065]
In the sampled grating element 30 of the present embodiment, a phase shift type super periodic structure grating is used. Also in the present embodiment, a grating element having a high extinction ratio can be manufactured as in the above embodiment. The sampled grating element according to the present embodiment can be used as a wavelength filter and a wavelength variable filter.
[0066]
[Sixth Embodiment]
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a Mach-Zehnder interferometer according to a sixth embodiment of the present invention. As shown in the figure, the Mach-Zehnder interferometer 35 has two arms 39-1 and 39-2 and a 3-dB installed across the two arms 39-1 and 39-2. Couplers 38-1 and 38-2, apodized sampled gratings (ASGs) 36-1 and 36-2 which are wavelength filters connected to the arms 39-1 and 39-2, and ASGs 36-1 and 36-2, respectively. It comprises electrodes 37-1 and 37-2 connected to 36-2.
[0067]
The two ASGs 36-1 and 36-2 have a grating in which the length of one grating unit is 75 μm and the length of the grating area is 15 μm, and have the same center wavelength and the same FSR.
[0068]
The operation principle of the Mach-Zehnder interferometer 35 according to the present embodiment is as follows. The input light (input from the input port of the 3-dB coupler 38-1) input to the Mach-Zehnder interferometer 35 is equally divided into two arms 39-1 and 39- by the 3-dB coupler 38-1 as the first coupler. 2 and is incident on the respective ASGs 36-1 and 36-2. The light having the same wavelength is reflected by each of the ASGs 36-1 and 36-2, and reenters the 3-dB coupler 38-1. At this time, since the two reflected lights have the same phase, they are output as output lights from an output port different from the input port (the lower port in the figure). As a result, since the input light and the output light pass through different ports, expensive optical components such as a circulator are not required, which is advantageous for reducing the cost of the device. The transmitted light transmitted through the ASGs 36-1 and 36-2 interferes with the 3-dB coupler 38-2, which is the second coupler, and is output from the lower port in the figure without loss.
[0069]
Further, the refractive index of the waveguide can be changed by giving a temperature change to the ASGs 36-1 and 36-2, or by injecting a current or applying a voltage, so that the ASGs 36-1 and 36-2 are reflected. The wavelength of light can be changed.
[0070]
In the Mach-Zehnder interferometer 35 according to the present embodiment, for example, the waveguides of the ASGs 36-1 and 36-2 have a diode structure composed of an n-InP layer, an i-InGaAsP layer, and a p-InP layer, and the ASGs 36-1 and 36. By injecting an equal amount of current from the electrodes 37-1 and 37-2 serving as the refractive index control means into -2, the refractive index of the waveguide can be reduced, and the reflection spectrum can be shifted to the shorter wavelength side. As a result, it is possible to function as an optical wavelength variable filter. When the change in the refractive index due to the current injection is used, the reflection spectrum can be changed with a high-speed response of about nanosecond, so that an optical packet switch or the like can be configured using the optical wavelength tunable filter.
[0071]
[Seventh embodiment]
FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a Mach-Zehnder interferometer system according to a seventh embodiment of the present invention. As shown in the figure, the Mach-Zehnder interferometer system 40 is configured by connecting two Mach-Zehnder interferometers shown in FIG.
[0072]
The first Mach-Zehnder interferometer 46-1, which is one of the Mach-Zehnder interferometers, has two arms 44-1 and 44-2 and a straddle between the two arms 44-1 and 44-2. 3-dB couplers 43-1 and 43-2, and apodized sampled gratings (ASGs) 41-1 and 41-2 that are wavelength filters connected to the arms 44-1 and 44-2. And the electrodes 42-1 and 42-2 connected to the respective ASGs 41-1 and 41-2.
[0073]
A second Mach-Zehnder interferometer 46-2, which is the "other Mach-Zehnder interferometer", has two arms 44-3 and 44-4 and a straddle between the two arms 44-3 and 44-4. 3-dB couplers 43-3, 43-4, and apodized sampled gratings (ASG) 41-3, 41-4, which are wavelength filters connected to the arms 44-3, 44-4. And electrodes 42-3 and 42-4 connected to the respective ASGs 41-3 and 41-4.
[0074]
The first Mach-Zehnder interferometer 46-1 and the second Mach-Zehnder interferometer 46-2 have an output port provided on the 3-dB coupler 43-1 as "one output port" and a "other input port". The input port provided in the 3-dB coupler 43-3 as a “port” is connected by an optical fiber 47. The two ASGs 41-1 and 41-2 of the first Mach-Zehnder interferometer 46-1 have a grating in which the length of one grating unit is 75 μm and the length of the grating area is 15 μm, and both have the same center wavelength and the same center wavelength. Have the same FSR. On the other hand, the two ASGs 41-3 and 41-4 of the second Mach-Zehnder interferometer 46-2 have gratings in which one grating unit has a length of 60 μm and a grating region has a length of 15 μm, and both have the same center. It has a wavelength and the same FSR. The ASGs 41-1 and 41-2 and the ASGs 41-3 and 41-4 have different FSRs. In the present embodiment, tunable filters having different FSRs are connected in multiple stages.
[0075]
The operating principle of the Mach-Zehnder interferometer system 40 according to the present embodiment is basically the same as that of the Mach-Zehnder interferometer according to the sixth embodiment, and will be briefly described below. In the input light 45-1 input to the first Mach-Zehnder interferometer 46-1, light having a constant resonance wavelength is reflected and output as output light 45-2 according to the same principle as in the sixth embodiment. The output light 45-2 is input to the second Mach-Zehnder interferometer 46-2 as the input light 45-3. Then, the output light 45-4 is reflected and output according to the same principle as in the sixth embodiment. At this time, since the first and second Mach-Zehnder interferometers have different resonance wavelength periods (FSR), the output light 45-4 is output only at wavelengths at which the resonance wavelengths match in both Mach-Zehnder interferometers. Is done.
[0076]
FIG. 12 is an output spectrum of the Mach-Zehnder interferometer according to the present embodiment. In the figure, the solid line indicates the output spectrum of the device according to the present embodiment, and the dotted line indicates the reflection spectra of ASGs 41-1 (41-2) and 41-3 (41-4) having different FSRs. As can be seen from the figure, a result was obtained in which the FSR was 24.0 nm, the extinction ratio was 37.4 dB, and the loss was 1.8 dB.
[0077]
The 3 dB transmission band of the device according to the present embodiment is 70 GHz, and flat characteristics are obtained. As a result, good filtering can be performed even when the transmission signal speed is as high as about 40 GHz. As described in the sixth embodiment, the refractive index of each waveguide can be changed by giving a temperature change to the ASGs 41-1 to 4-4, or by performing current injection or voltage application. One arbitrary wavelength can be selected within a wide range of 0.0 nm.
[0078]
[Eighth Embodiment]
FIG. 13 is a schematic perspective view of a sampled grating device according to the eighth embodiment of the present invention. As shown in the figure, the sampled grating element 50 has a structure in which first to third apodized sampled gratings (ASGs) 51-1, 51-2, 51-3 are connected in series. In addition, three heaters 52-1, 52-2, 52-3 are provided on the upper surface of the guide layer 53 so as to correspond to the respective ASGs 51-1, 51-2, 51-3.
[0079]
ASG51-1, 51-2, 51-3 have a coupling coefficient of 1000 cm. ^-1 The length of each grating unit in the ASG was 20 μm for the first ASG 51-1, 20.7 μm for the second ASG 51-2, and 20.13 μm for the third ASG 51-3. In the present embodiment, optical signals of wavelengths not reflected by all the ASGs 51-1, 51-2, 51-3 become transmitted light, and light of the remaining wavelengths is output as reflected light via the circulator 54.
[0080]
FIG. 14 is a reflection spectrum of each of the ASGs 51-1, 51-2, 51-3. As shown in the figure, each of the ASGs 51-1, 51-2, and 51-3 has the same FSR, and exhibits reflection characteristics with slightly different reflection peak wavelengths. When three ASGs having the reflection spectrums shown in FIG. 4 are connected in series, only optical signals having wavelengths not reflected by the first to third ASGs 51-1, 51-2, and 51-3 (reflection of the first ASG in FIG. An optical signal in a wavelength band of low reflectance existing between the peak and the reflection peak of the third ASG becomes the transmitted light.
[0081]
In the present embodiment, the three heaters 52-1, 52-2, and 52-3 provided above the guide layer 53 change the refractive index of each of the ASGs 51-1, 51-2, and 51-3 to reflect light. The center wavelength of the spectrum can be changed.
[0082]
FIG. 15 is a diagram illustrating a change in the reflection characteristics of the first ASG 51-1 due to heating. Heating the first ASG 51-1 by the heater 52-1 increases the refractive index of the waveguide portion of the first ASG 51-1 and shifts the reflection peak to the longer wavelength side.
[0083]
FIG. 16 is a diagram showing a change in the transmission characteristics of the sampled grating element 50 due to the heating of the first ASG 51-1. By heating the first ASG 51-1 by the heater 52-1, the transmission spectrum of the element 50 greatly changes before and after heating. In the case where a WDM signal is input as an input signal, a signal having more wavelengths can be output. The sampled grating element according to the present embodiment can be used as a wavelength filter and a wavelength variable filter.
[0084]
[Ninth embodiment]
FIG. 17 is a schematic configuration diagram of the optical cross-connect device according to the ninth embodiment of the present invention. As shown in the figure, the optical cross-connect device 60 includes n input optical fibers 61-1, 61-2, 61-n (only three are shown in the figure) and 2n circulators 62-. 1, 62-2, 62 (only six are shown in the figure), 3n tunable filters 63-1, 63-2, 63-3, 63 (only nine are shown in the figure), 3n , 64-2, 64-3, 64 (only nine are shown in the figure), an optical fiber 68, and star couplers 67-1, 67-2, 67-n (in the figure, And three optical fibers for output 66-1, 66-2, 66-n (only three are shown in the figure). Note that n is a positive integer.
[0085]
For the wavelength tunable filters 63-1, 63-2, 63-3, 63, the sampled grating elements shown in the eighth embodiment (see FIG. 13) are used. Each of the wavelength conversion elements 64-1, 64-2, 64-3, 64 and the star couplers 67-1, 67-2, 67-n are connected by a plurality of optical fibers 68.
[0086]
Hereinafter, the operating principle of the optical cross-connect device 60 will be described with reference to FIG. 17 by taking light input to the input optical fiber 61-1 as an example. The wavelength-division multiplexed light input to the input optical fiber 61-1 enters the tunable filter 63-1 via the circulator 62-1. Based on the principle described in the eighth embodiment, the wavelength-division multiplexed light that has entered the wavelength tunable filter 63-1 passes optical signals of a plurality of wavelengths through the wavelength tunable filter 63-1 to the wavelength conversion element 64-1. At the same time, the optical signals of other wavelengths are reflected by the wavelength tunable filter 63-1 and input to the circulator 62-1. The optical signal input to the circulator 62-1 is separated from the input light from the optical fiber 61-1 and enters the next-stage tunable filter 63-2 via the circulator 62-2.
[0087]
Similarly, when light passes through the wavelength tunable filters 63-2 and 63-3 and the circulator 62-2, a plurality of wavelength groups are respectively assigned to the plurality of wavelength conversion elements 64-1, 64-2 and 64-3. Will be entered. The wavelength conversion elements 64-1, 64-2, and 64-3 convert the wavelengths in the output optical fibers 66-1, 66-2, and 66-n so that the wavelengths do not overlap. Next, the optical fibers 68 output the desired optical fibers 66-1, 66-2, 66-n for each wavelength group via the star couplers 67-1, 67-2, 67-n.
[0088]
The light input to the optical fibers 61-2 and 61-n shown in FIG. 9 is also output from the output optical fibers 66-1, 66-2 and 66-n according to the above-described operation principle, and as a whole, Perform optical cross-connect operation. As a result, in this embodiment, the number of elements and the number of optical fibers 68 can be greatly reduced, and the price of the optical cross-connect device can be reduced, as compared with the optical cross-connect device selected for each wavelength. Of course, by using the Mach-Zehnder interferometer shown in the sixth embodiment (FIG. 10) or the seventh embodiment (FIG. 11) as the wavelength tunable filter, a circulator becomes unnecessary and the optical cross-connect device is monolithically configured. Therefore, the cost can be further reduced.
[0089]
In this embodiment, the number of input optical fibers is n, the number of circulators is 2n, the number of tunable filters and wavelength conversion elements is 3n, the number of star couplers is n, and the number of output optical fibers is n. However, the present invention is not limited to the number illustrated for each member. For example, more than three wavelength conversion filters and wavelength conversion elements may be connected to one input optical fiber, and four, five, six or more may be connected. The number of circulators may be set in accordance with the number of wavelength conversion filters.
[0090]
In the first to ninth embodiments, an InP-based compound semiconductor is used. However, the present invention is not limited to this. For example, a GaAs-based or ₂ An element can be formed in the same manner using a silicon wire waveguide made of, for example, polyimide. Further, it is possible to eliminate the loss of the element by integrating with the semiconductor amplifier and to integrate the light receiving element.
[0091]
【The invention's effect】
According to the present invention, by manufacturing a wavelength filter and a wavelength tunable filter using a semiconductor grating, the wavelength filter and the wavelength tunable filter can be realized with a high extinction ratio, low loss, and low cost. In addition, by using the wavelength filter and the wavelength tunable filter according to the present invention, it is possible to configure an optical cross-connect device that can control wavelengths collectively, and it is possible to reduce the cost of the optical cross-connect device. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view (a) of a sampled grating element according to a first embodiment of the present invention, and a plan view (b) of a grating portion.
FIG. 2 is a diagram illustrating a relationship between a difference Δd in waveguide width forming a grating and a coupling coefficient.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an epitaxial growth substrate used in the first embodiment.
FIG. 4 is a reflection spectrum of the sampled grating element according to the first embodiment.
5A is a schematic configuration diagram of a sampled grating element according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 5B is a graph showing the number of grating periods formed in each grating unit.
FIG. 6 is a reflection spectrum of the sampled grating element according to the second embodiment.
FIG. 7 is a schematic perspective view (a) of a sampled grating element according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic perspective view of a sampled grating element according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic plan view (a) of a sampled grating element according to a fifth embodiment of the present invention in which a grating is formed on a core layer before regrowth, and a graph (b) showing the width of each grating. It is.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a Mach-Zehnder interferometer according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a Mach-Zehnder interferometer system according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 12 is an output spectrum of the Mach-Zehnder interferometer system according to the seventh embodiment.
FIG. 13 is a schematic perspective view of a sampled grating element according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a reflection spectrum of each ASG included in the sampled grating element according to the eighth embodiment.
FIG. 15 is a diagram showing a change in the reflection characteristics of the first ASG due to heating.
FIG. 16 is a diagram showing a change in transmission characteristics of a sampled grating element due to heating of a first ASG.
FIG. 17 is a schematic configuration diagram of an optical cross-connect device according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a schematic configuration diagram showing an example of a conventional sampled grating element.
FIG. 19 is a reflection spectrum of a wavelength filter formed by a conventional sampled grating element.
FIG. 20 is a schematic diagram (a) of a conventional apodized sampled grating element to which apodization is applied, and a diagram (b) showing a relationship between a direction z along a waveguide and a coupling coefficient k.
FIG. 21 is a reflection spectrum calculated assuming a conventional apodized sampled grating element.
[Explanation of symbols]
1,10,16,21,26,30,50 Sampled grating element
2,11,11-1,11-2,17,22-1,22-2,27-1,27-2,53 Guide layer
3,12,18,23,28 core layer
4,4-1,4-2,4-3,13-1-3,17-1-3 grating
19-1 to 1st to 3rd grating units
5 Apotized sampled grating
14, 20, 34 Incident end face
15 Epitaxial growth substrate
24 InP substrate
25 Air gap
29 substrate
33-1 to 7-7 First to seventh gratings
35 Mach-Zehnder interferometer
36-1, 36-2, 41-1 to 4 ASG
37-1, 37-2, 42-1-4 electrodes
38-1,38-2,43-1-4 4-dB coupler
39-1, 39-2, 44-1 to 4 arms
40 Mach-Zehnder interferometer system
45-1, 45-3 input light
45-2, 45-4 output light
46-1 First Mach-Zehnder Interferometer
46-2 Second Mach-Zehnder Interferometer
47 Optical fiber
51-1 to 1st to 3rd ASG
52-1-3 Heater
54 circulator
60 Optical cross connect device
61-1, 61-2, 61-n optical fiber
62, 62-1, 62-2 circulator
63, 63-1 to 3-3 wavelength tunable filters
64, 64-1-3 wavelength conversion element
66-1, 66-2, 66-n optical fiber
67-1, 67-2, 67-n Star coupler
68 Optical fiber

Claims

In a super-periodic structure grating element or a sampled grating element in which a waveguide formed on a substrate has a plurality of gratings and outputs only light having a certain FSR wavelength as reflected light,
The grating is formed in a direction perpendicular to the substrate by periodically changing the width of the waveguide,
The plurality of gratings have a smaller difference in the width of the periodically changing waveguide as the grating is closer to the input / output end face of the waveguide, and the grating is closer to the center between the input / output end faces of the waveguide. A super-periodic structure grating element or a sampled grating element, characterized in that the difference in the width of the changing waveguide is increased.

In a sampled grating element in which a waveguide formed on a substrate has a plurality of gratings and outputs only light having a certain FSR wavelength as reflected light,
The grating is formed in a direction perpendicular to the substrate by periodically changing the width of the waveguide,
The plurality of gratings,
The closer the grating is to the input / output end face of the waveguide, the smaller the difference in the width of the periodically changing waveguide becomes, and the smaller the number of protrusions constituting the grating becomes,
A sampled grating, wherein the closer to the center between the input and output end faces of the waveguide, the greater the difference in the width of the periodically changing waveguide and the number of protrusions forming the grating are increased. element.

In a buried sampled grating element in which a waveguide formed on a substrate has a plurality of gratings in the horizontal direction with respect to the substrate, and outputs only light having a certain FSR wavelength as reflected light,
In the plurality of gratings, the number of convex portions constituting the grating is smaller as the grating is closer to the input / output end face of the waveguide, and the convex portion is closer to the center between the input / output end faces of the waveguide. Embedded type sampled grating element characterized in that the number of elements increases.

A buried super-periodic structure grating element or a buried type sampled grating in which a waveguide formed on a substrate has a plurality of gratings in the horizontal direction with respect to the substrate, and outputs only light having a certain FSR wavelength as reflected light. In the element
The plurality of gratings are characterized in that the grating width is narrower as the grating is closer to the input / output end face of the waveguide, and the grating width is wider as the grating is closer to the center between the input / output end faces of the waveguide. Periodic grating element or embedded sampled grating element.

In a buried sampled grating element in which a waveguide formed on a substrate has a plurality of gratings in the horizontal direction with respect to the substrate, and outputs only light having a certain FSR wavelength as reflected light,
The plurality of gratings,
The closer the grating to the input / output end face of the waveguide, the smaller the number of convex portions constituting the grating and the narrower the grating width,
A buried sampled grating element, wherein the closer to the center between the input and output end faces of the waveguide, the greater the number of protrusions constituting the grating and the wider the grating width.

The buried super-periodic structure grating element or the buried type sampled grating element according to claim 3,
The waveguide includes a first guide layer provided on the substrate, a core layer provided on the first guide layer and having a plurality of gratings, and a second guide layer provided on the core layer. Become
The grating is formed of an air gap formed in the core layer, and the core layer and the second guide layer are directly bonded to each other or bonded by an adhesive or polyimide. Grating element or embedded sampled grating element.

The super-periodic structure grating element or the sampled grating element according to any one of claims 1 to 6,
The said waveguide is a super periodic structure grating element or sampled grating element characterized by the above-mentioned high mesa structure.

A plurality of super-periodic structure grating elements or sampled grating elements according to any one of claims 1 to 7,
The plurality of super-periodic structure grating elements or sampled grating elements each output only the same FSR wavelength light as reflected light,
The peak wavelengths of light reflected by the plurality of super-periodic structure grating elements or sampled grating elements are different,
The super periodic structure grating element or sampled grating element, wherein the plurality of super periodic structure grating elements or sampled grating elements are connected in series.

The super-periodic structure grating element or the sampled grating element according to any one of claims 1 to 8,
A super-periodic grating element or a sampled grating element, comprising: a refractive index control means for controlling a refractive index of the waveguide.

The super-periodic structure according to any one of claims 1 to 9, further comprising a first coupler having an input port for inputting light, branching the light input from the input port into a plurality of arms, and provided on the arm. In a Mach-Zehnder interferometer having a grating element or a sampled grating element and a second coupler that collects light transmitted through the super-periodic structure grating element or the sampled grating element,
Further, an output port is provided in the first coupler,
The Mach-Zehnder interferometer, wherein the light reflected by the super-periodic structure grating element or the sampled grating element is output from an output port of the first coupler.

11. A plurality of the Mach-Zehnder interferometers according to claim 10, wherein each of the plurality of Mach-Zehnder interferometers is optically connected to an output port of one Mach-Zehnder interferometer and an input port of the other Mach-Zehnder interferometer. Along with
An FSR of light reflected by the super-periodic structure grating element or the sampled grating element of the one Mach-Zehnder interferometer;
A Mach-Zehnder interferometer system, wherein the other Mach-Zehnder interferometer has an FSR of light reflected by a super-periodic structure grating element or a sampled grating element.

An optical cross-connect device comprising the super-periodic structure grating element or the sampled grating element according to claim 1.