JP2007133286A - Wavelength multiplexer/demultiplexer - Google Patents

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順裕 菊池
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a wavelength multiplexer/demultiplexer using a semiconductor material with which the polarization dependency generated due to the error in a manufacturing process or the machining error is compensated without being accompanied by the deterioration in characteristic. <P>SOLUTION: The multiplexer/demultiplexer 100 is composed by providing: an array waveguide lattice which is provided with a plurality of array waveguides 130 having a semiconductor substrate 101, a first semiconductor clad layer 102 provided on the substrate 101, a non-dope semiconductor core layer 103 provided on the clad layer 102, a second semiconductor clad layer 105 provided on the core layer 103, and a half-insulation layer 104 composed of a half-insulated semiconductor and provided between the clad layer 105 and the core layer 103; and electrodes 106 and 107 which apply an electric field upon the array waveguides 130 so as to vary the refractive index for a TE mode without varying the refractive index for a TM mode in the core layer 103. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、光波長多重方式を利用した光通信、光交換、光情報処理等の光伝送システムに適用される波長合分波器に関する。   The present invention relates to a wavelength multiplexer / demultiplexer applied to an optical transmission system such as optical communication, optical switching, and optical information processing using an optical wavelength multiplexing system.

現在、大容量の通信を実現するため、異なる光波長(周波数)を有する複数の光信号を一本の光ファイバに多重化して伝送する波長多重光通信ネットワーク技術の研究開発が盛んに行われている。波長多重光通信ネットワークにおいて、異なる波長(周波数)を有する複数の光信号の合波(多重化)や分波を行う波長合分波器は、欠かせない存在となっている。   Currently, in order to realize large-capacity communication, research and development of wavelength multiplexing optical communication network technology that multiplexes and transmits a plurality of optical signals having different optical wavelengths (frequencies) on one optical fiber is actively performed. Yes. In a wavelength multiplexing optical communication network, a wavelength multiplexer / demultiplexer that performs multiplexing (multiplexing) and demultiplexing of a plurality of optical signals having different wavelengths (frequencies) has become indispensable.

上記波長合分波器としては、アレイ導波路格子(AWG)を利用したものが代表的に挙げられる。このアレイ導波路格子は、図10に示すように、入力導波路910、スラブ導波路920,940、アレイ導波路930、出力導波路950等を備えている(詳しくは、下記の非特許文献1等参照)。このようなアレイ導波路格子は、現在、低損失で偏波依存性のないものが石英系材料により実用化されて、波長合分波器900等として一般に広く利用されている。   A representative example of the wavelength multiplexer / demultiplexer is one using an arrayed waveguide grating (AWG). As shown in FIG. 10, the arrayed waveguide grating includes an input waveguide 910, slab waveguides 920 and 940, an arrayed waveguide 930, an output waveguide 950, and the like (for details, see Non-Patent Document 1 below). Etc.). As such an arrayed waveguide grating, a low-loss and polarization-independent one has been put into practical use with a quartz-based material and is generally widely used as a wavelength multiplexer / demultiplexer 900 or the like.

また、最近は、半導体系材料を使用したものが活発に研究開発され始めている。これは、半導体系材料を用いると、光導波路の比屈折率差が高く、小さな曲げ半径で導波路を曲げることができるので、非常に小型にできることや、LDやPDなど他の半導体光デバイスとのモノリシック集積が可能であり、将来必要となる多機能光回路をワンチップで実現できるという大きなメリットがあるためである。   Recently, materials using semiconductor materials have been actively researched and developed. This is because when a semiconductor material is used, the relative refractive index difference of the optical waveguide is high, and the waveguide can be bent with a small bending radius, so that it can be very small, and other semiconductor optical devices such as LD and PD. This is because monolithic integration is possible, and there is a great merit that a multifunctional optical circuit that will be required in the future can be realized on a single chip.

先端光エレクトロニクスシリーズ8,光集積デバイス,小林功郎著,共立出版株式会社Advanced Optical Electronics Series 8, Optical Integrated Device, by Isao Kobayashi, Kyoritsu Publishing Co., Ltd. M.Kohtoku et al.,“Polarization-independent InP arrayed waveguide grating filter using deep ridge waveguide structure”,CLEO/Pacific Rim'97,pp.284-285,1997M. Kohtoku et al., “Polarization-independent InP arrayed waveguide grating filter using deep ridge waveguide structure”, CLEO / Pacific Rim'97, pp.284-285, 1997 M.K.Smit,“PHASAR-based WDM devices:Principles,design and applications”,IEEE Journal of selected topics in quantum electronics,vol.2,No.2,pp.236-250,1996M.K.Smit, “PHASAR-based WDM devices: Principles, design and applications”, IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, vol.2, No.2, pp.236-250, 1996 J.G.Mendoza-Alvarez,“Analysis of depletion edge translation lightwave modulators”,J.of Lightwave Technology,vol.6,pp.793-808,1988J.G.Mendoza-Alvarez, “Analysis of depletion edge translation lightwave modulators”, J.of Lightwave Technology, vol.6, pp.793-808,1988

波長合分波器においては、重要な特性の一つとして、偏波依存性が無い、すなわち、TE波とTM波とでフィルタ特性が変わらないことが挙げられる。しかしながら、波長合分波器に半導体系材料を用いると、偏波依存性の制御が難しくなってしまい、歩留まりを低下させるという問題があった。この理由を以下に説明する。   In the wavelength multiplexer / demultiplexer, one of important characteristics is that there is no polarization dependence, that is, the filter characteristics do not change between the TE wave and the TM wave. However, when a semiconductor material is used for the wavelength multiplexer / demultiplexer, it becomes difficult to control the polarization dependency, and there is a problem that the yield is lowered. The reason for this will be described below.

アレイ導波路格子においては、透過特性のピーク波長を下記の式(1)で表わすことができる。なお、λはピーク波長、neqは等価屈折率、ΔLは隣り合うアレイ導波路の長さの差、mは回折次数である。 In the arrayed waveguide grating, the peak wavelength of the transmission characteristic can be expressed by the following equation (1). Λ is the peak wavelength, n eq is the equivalent refractive index, ΔL is the difference in length between adjacent arrayed waveguides, and m is the diffraction order.

λ=ΔL・neq/m・・・(1) λ = ΔL · n eq / m (1)

つまり、アレイ導波路格子は、上記式(1)から明らかなように、偏波間で等価屈折率neqを等しくしなければ、偏波無依存化を図ることができないのである。このような偏波無依存化を図るには、例えば、導波路の構造を水平方向と垂直方向とで同一にする、すなわち、単純には、正方形のコア層を埋め込む構造が考えられる。 That is, as is apparent from the above formula (1), the arrayed waveguide grating cannot be made polarization independent unless the equivalent refractive index n eq is made equal between the polarized waves. In order to achieve such polarization independence, for example, a structure in which the waveguide structure is made the same in the horizontal direction and the vertical direction, that is, a structure in which a square core layer is embedded can be considered.

しかしながら、一般に、半導体の製造プロセスにおいて、コア層は、厚さをエピタキシャル成長によって数十Å単位で精密に制御することができるものの、幅をドライエッチング等によって制御するため、10-1μm単位での加工誤差を避けることができない。この導波路の幅の加工誤差によって偏波依存性を招いてしまい、歩留まりを低下させてしまうのである。 However, in general, in the semiconductor manufacturing process, although the thickness of the core layer can be precisely controlled in units of several tens of millimeters by epitaxial growth, the width is controlled by dry etching or the like in order to control the width in units of 10 −1 μm. Processing errors cannot be avoided. This processing error in the width of the waveguide leads to polarization dependence, which reduces the yield.

また、例えば、上記非特許文献2等では、導波路の構造が水平方向と垂直方向とで非対称であっても、偏波間で等価屈折率を同じにする手段が提案されている。具体的には、バンドギャップ波長が1.05μmであると共に、厚さが0.5μmであるInGaAsPからなるコア層と、当該コア層を上下に挟むInPからなるクラッド層を有するハイメサの導波路の構造であって、この導波路の幅が2.65μmであると、偏波無依存になることが記載されている。   Further, for example, Non-Patent Document 2 and the like have proposed means for making the equivalent refractive index the same between polarized waves even when the waveguide structure is asymmetric in the horizontal direction and the vertical direction. Specifically, a high-mesa waveguide having a core layer made of InGaAsP having a bandgap wavelength of 1.05 μm and a thickness of 0.5 μm, and a cladding layer made of InP sandwiching the core layer vertically. It is described that when the width of the waveguide is 2.65 μm, the polarization becomes independent.

このような導波路の構造においては、導波路の幅に対する偏波間の等価屈折率差の変化が緩やかであり、比較的広い作製トレランスを有しているものの、この作製トレランスが、偏波間での透過特性のピーク波長のずれをどこまで許容するかによって決まることから、より完全な偏波無依存を実現するには、導波路の幅を厳密に制御する必要が依然としてあった。   In such a waveguide structure, the change in the equivalent refractive index difference between the polarized waves with respect to the width of the waveguide is gradual and has a relatively wide fabrication tolerance. Since it depends on how far the shift of the peak wavelength of the transmission characteristic is tolerated, it is still necessary to strictly control the width of the waveguide in order to realize more complete polarization independence.

また、例えば、上記非特許文献3等では、偏波間の分散を補償する導波路をアレイ導波路上に挿入する方法や偏波スプリッタを用いること等が提案されている。しかしながら、上記非特許文献3等に記載されている各種手段は、いずれも高度な作製精度が要求されるものであった。   Further, for example, in Non-Patent Document 3 and the like, a method of inserting a waveguide for compensating dispersion between polarized waves into an arrayed waveguide, or using a polarization splitter is proposed. However, all the various means described in Non-Patent Document 3 and the like require high production accuracy.

さらに、上述したすべての手段においては、作製した段階で偏波依存性の有無が決まってしまうため、作製後に偏波依存性があった場合に、その補正、いわゆるトリミングすることができなかった。   Furthermore, in all the means described above, since the presence or absence of polarization dependence is determined at the stage of production, if there is polarization dependence after production, the correction, so-called trimming, cannot be performed.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体系材料を用いた波長合分波器において、製造プロセス時のエラーや加工誤差により生じた偏波依存性を光伝搬損失の増大等の特性劣化を伴うことなく補償できるようにすることによって、歩留まりを著しく向上させることができるようにすることである。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to generate a polarization caused by an error during a manufacturing process or a processing error in a wavelength multiplexer / demultiplexer using a semiconductor material. By making it possible to compensate the dependence without accompanying characteristic deterioration such as an increase in light propagation loss, the yield can be remarkably improved.

前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る波長合分波器は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられる第一の半導体クラッド層と、前記第一の半導体クラッド層上に設けられるノンドープの半導体コア層と、前記半導体コア層上に設けられる第二の半導体クラッド層と、前記第一の半導体クラッド層と前記半導体コア層との間及び前記第二の半導体クラッド層と前記半導体コア層との間のうちの少なくとも一方の間に設けられる半絶縁性の半導体からなる半絶縁層とを有するアレイ導波路を複数備えるアレイ導波路格子と、前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記半導体コア層におけるTMモードに対する屈折率を変化させることなくTEモードに対する屈折率を変化させるように当該アレイ導波路にそれぞれ電界を印加する電界印加手段とを備えていることを特徴とする。   A wavelength multiplexer / demultiplexer according to a first invention for solving the above-described problem includes a semiconductor substrate, a first semiconductor cladding layer provided on the semiconductor substrate, and the first semiconductor cladding layer. A non-doped semiconductor core layer provided on the semiconductor core layer, a second semiconductor clad layer provided on the semiconductor core layer, and between the first semiconductor clad layer and the semiconductor core layer and the second semiconductor clad layer. An arrayed waveguide grating having a plurality of arrayed waveguides having a semi-insulating layer made of a semi-insulating semiconductor provided between at least one of the semiconductor core layers, and the array of the arrayed waveguide gratings An electric field is applied to each arrayed waveguide so as to change the refractive index for the TE mode without changing the refractive index for the TM mode in the semiconductor core layer of the waveguide. Characterized in that it comprises a field applying means for applying.

第二番目の発明に係る波長合分波器は、第一番目の発明において、前記電界印加手段が、前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記半絶縁層上に位置するように当該アレイ導波路上に配設されて電圧を印加される第一の電極と、前記アレイ導波路格子の前記第一の半導体クラッド層又は前記半導体基板に設けられて接地する第二の電極とを備え、前記第一の電極が、前記アレイ導波路格子の複数の前記アレイ導波路の間を連絡するように当該アレイ導波路の間にわたって配設されると共に、当該アレイ導波路の軸方向の長さを当該アレイ導波路の配列方向一方側よりも他方側ほど長くするように形成されていることを特徴とする。   The wavelength multiplexer / demultiplexer according to the second invention is the wavelength multiplexer / demultiplexer according to the first invention, wherein the electric field applying means is located on the semi-insulating layer of the arrayed waveguide of the arrayed waveguide grating. A first electrode disposed on the waveguide and applied with a voltage; and a second electrode provided on the first semiconductor cladding layer or the semiconductor substrate of the arrayed waveguide grating and grounded. The first electrode is disposed between the arrayed waveguides so as to communicate between the plurality of arrayed waveguides of the arrayed waveguide grating, and the axial length of the arrayed waveguides is reduced. The arrayed waveguide is formed so as to be longer toward the other side than the one side in the arrangement direction.

第三番目の発明に係る波長合分波器は、第一番目の発明において、前記電界印加手段が、前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記半絶縁層上に位置するように当該アレイ導波路上に配設されて電圧を印加される第一の電極と、前記アレイ導波路格子の前記第一の半導体クラッド層又は前記半導体基板に設けられて接地する第二の電極とを備え、前記第一の電極が、前記アレイ導波路格子の複数の前記アレイ導波路の間を断続させるように当該アレイ導波路にそれぞれ配設されると共に、当該アレイ導波路の軸方向の長さがそれぞれ等しくなっていることを特徴とする。   The wavelength multiplexer / demultiplexer according to a third aspect of the present invention is the wavelength multiplexer / demultiplexer according to the first aspect, wherein the electric field applying means is located on the semi-insulating layer of the arrayed waveguide of the arrayed waveguide grating. A first electrode disposed on the waveguide and applied with a voltage; and a second electrode provided on the first semiconductor cladding layer or the semiconductor substrate of the arrayed waveguide grating and grounded. The first electrodes are respectively disposed in the arrayed waveguides so as to intermittently connect the plurality of arrayed waveguides of the arrayed waveguide grating, and the axial lengths of the arrayed waveguides are respectively It is characterized by being equal.

第四番目の発明に係る波長合分波器は、第二番目又は第三番目の発明において、前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路が、軸方向に直線状をなす直線部を有し、前記第一の電極が、前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記直線部上に配設されていることを特徴とする。   The wavelength multiplexer / demultiplexer according to a fourth aspect of the invention is the second or third aspect of the invention, wherein the arrayed waveguide of the arrayed waveguide grating has a linear portion that is linear in the axial direction, The first electrode is disposed on the straight portion of the arrayed waveguide of the arrayed waveguide grating.

第五番目の発明に係る波長合分波器は、第四番目の発明において、前記アレイ導波路格子の前記半導体基板が、(100)面方位を有すると共に、前記アレイ導波路の前記直線部が、下記の表1に示す(1)方位又は(2)方位に対して平行となっていることを特徴とする。

Figure 2007133286
A wavelength multiplexer / demultiplexer according to a fifth invention is the wavelength multiplexer / demultiplexer according to the fourth invention, wherein the semiconductor substrate of the arrayed waveguide grating has a (100) plane orientation, and the linear portion of the arrayed waveguide is These are characterized by being parallel to (1) orientation or (2) orientation shown in Table 1 below.
Figure 2007133286

第六番目の発明に係る波長合分波器は、第一番目から第五番目の発明のいずれかにおいて、前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記第一の半導体クラッド層及び前記第二の半導体クラッド層が、n型であることを特徴とする。   A wavelength multiplexer / demultiplexer according to a sixth invention is the wavelength multiplexer / demultiplexer according to any one of the first to fifth inventions, wherein the first semiconductor clad layer and the second of the arrayed waveguide of the arrayed waveguide grating. The semiconductor clad layer is n-type.

第七番目の発明に係る波長合分波器は、第一番目から第六番目の発明のいずれかにおいて、前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路が、ハイメサ構造であることを特徴とする。   A wavelength multiplexer / demultiplexer according to a seventh invention is characterized in that, in any one of the first to sixth inventions, the arrayed waveguide of the arrayed waveguide grating has a high mesa structure.

本発明に係る波長合分波器によれば、偏波依存性のトリミング機構を備えるので、製造プロセス時のエラーや加工誤差により生じた偏波依存性を光伝搬損失の増大等の特性劣化を伴うことなく補償することができ、歩留まりを著しく向上させることができる。   According to the wavelength multiplexer / demultiplexer according to the present invention, since the polarization-dependent trimming mechanism is provided, the polarization dependency caused by an error during the manufacturing process or a processing error can be prevented from deteriorating characteristics such as an increase in optical propagation loss. Compensation can be performed without this, and the yield can be significantly improved.

〈概要〉
アレイ導波路格子における偏波間での透過特性のピーク波長のずれ、すなわち、偏波依存性は、前述した式(1)から明らかなように、偏波間で等価屈折率が異なるために発生するものである。例えば、0.0001の等価屈折率差の場合、0.08nm(10GHz)程度のピーク波長のずれが生じてしまう。そこで、本発明では、アレイ導波路格子に偏波間の等価屈折率差を作製後に調整できる機構を設けることにより、偏波依存性を補償できるようにしたのである。
<Overview>
The shift of the peak wavelength of the transmission characteristics between the polarizations in the arrayed waveguide grating, that is, the polarization dependence is caused by the difference in the equivalent refractive index between the polarizations, as is apparent from the above-described equation (1). It is. For example, in the case of an equivalent refractive index difference of 0.0001, a peak wavelength shift of about 0.08 nm (10 GHz) occurs. Therefore, in the present invention, the polarization dependency can be compensated by providing the arrayed waveguide grating with a mechanism capable of adjusting the equivalent refractive index difference between the polarized waves after fabrication.

ところで、屈折率を変化させることができる手段としては、一次の電気光学効果であるポッケルス効果、フランツ・ケルディシュ効果、多重量子井戸構造で見られる量子閉じ込めシュタルク(QCSE)効果、電流注入等の半導体中のキャリアの密度の変化によるプラズマ効果、温度変化等を挙げることができる。   By the way, means capable of changing the refractive index include the Pockels effect, the Franz-Keldish effect, the quantum confined Stark effect (QCSE) effect seen in the multiple quantum well structure, and the current injection, etc. A plasma effect, a temperature change, and the like due to a change in carrier density can be given.

ここで、ポッケルス効果以外は、屈折率変化の偏波依存性が無いか小さいので、前記式(1)により、屈折率の変化に伴って透過特性のピーク波長を変化させることができるものの、両偏波とも同時に同方向に波長シフトしてしまうため、偏波依存性の補償に適切でない。さらに、プラズマ効果は、キャリアの密度を増やすと、自由キャリアの吸収を伴ってしまうため、光伝搬の損失が増加してしまうという問題もある。   Here, except for the Pockels effect, the polarization dependency of the refractive index change is not or small, so that the peak wavelength of the transmission characteristic can be changed with the change of the refractive index by the above formula (1). Since the polarization shifts the wavelength in the same direction at the same time, it is not appropriate for compensation of polarization dependency. Furthermore, since the plasma effect is accompanied by absorption of free carriers when the carrier density is increased, there is a problem that the loss of light propagation increases.

他方、ポッケルス効果は、屈折率変化の偏波依存性が大きい。例えば、前記非特許文献4に記載されているように、基板と垂直な方向([100]方位)の電界Eb(=Vb/コア厚)を掛けると、TEモードに対する屈折率変化が下記の式(2)で表わされる。なお、n0は材料の屈折率、γ41はポッケルス定数であり、負の値である。 On the other hand, the Pockels effect has a large polarization dependence of the refractive index change. For example, as described in Non-Patent Document 4, when the electric field E b (= V b / core thickness) in the direction perpendicular to the substrate ([100] orientation) is applied, the refractive index change with respect to the TE mode is as follows. (2). Note that n 0 is the refractive index of the material, and γ 41 is a Pockels constant, which is a negative value.

Δn0=±(n3/2)γ41b・・・(2) Δn 0 = ± (n 3/ 2) γ 41 E b ··· (2)

なお、電子出願システムにおける書類記載方式の制約上、各方位を下記の表2に示すように表記することとする。   In addition, due to the limitation of the document description method in the electronic application system, each direction is described as shown in Table 2 below.

Figure 2007133286
Figure 2007133286

そして、+符号は[0AA]方位に平行に光が伝搬する場合、−符号は[01A]方位に平行に光が伝搬する場合である。このため、電界を印加するアレイ導波路部分を[0AA]方位に平行に配すると、電界の印加によって、屈折率変化が負となる一方、電界を印加するアレイ導波路部分を[01A]方位に平行に配すると、電界の印加によって、屈折率変化が逆に正となるものの、TMモードに対する屈折率変化を生じることがない。   The + sign indicates the case where light propagates parallel to the [0AA] direction, and the − sign indicates the case where light propagates parallel to the [01A] direction. For this reason, when the arrayed waveguide portion to which the electric field is applied is arranged in parallel to the [0AA] direction, the refractive index change is negative by the application of the electric field, while the arrayed waveguide portion to which the electric field is applied is in the [01A] direction. When arranged in parallel, the change in the refractive index is reversed by application of the electric field, but no change in the refractive index with respect to the TM mode occurs.

そこで、本発明では、このポッケルス効果を利用して、TEモードに対する等価屈折率のみを適当に変化させることにより、偏波依存性を効率よく補償するようにしているのである。   Therefore, in the present invention, by utilizing this Pockels effect, only the equivalent refractive index for the TE mode is appropriately changed to efficiently compensate for the polarization dependence.

なお、上述した説明では、(100)基板の場合を例にしたが、(001)基板等の場合であっても同様なことが成り立つ。つまり、(001)基板の場合には、上記[100]方位を[001]方位、[0AA]方位を[110]方位、[01A]方位を[A10]方位に置き換えればよい。   In the above description, the case of the (100) substrate is taken as an example, but the same applies to the case of the (001) substrate. That is, in the case of the (001) substrate, the [100] orientation may be replaced with the [001] orientation, the [0AA] orientation with the [110] orientation, and the [01A] orientation with the [A10] orientation.

〈第一番目の実施形態〉
本発明に係る波長合分波器の第一番目の実施形態を図1〜7に基づいて以下に説明する。図1は、波長合分波器の概略構成を表わす平面図、図2は、図1の波長合分波器の概略構成を表わす断面図、図3は、図1の波長合分波器の要部の概略構成を表わす断面図、図4は、図1の波長合分波器に電界を印加したときのバンドダイヤグラム、図5は、図1の波長合分波器の隣り合うアレイ導波路の相関関係説明図、図6は、アレイ導波路の幅と等価屈折率差との関係を表わすグラフ、図7は、アレイ導波路の等価屈折率変化と半導体コア層の屈折率変化との関係を表わすグラフである。
<First embodiment>
A first embodiment of a wavelength multiplexer / demultiplexer according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 is a plan view showing a schematic configuration of the wavelength multiplexer / demultiplexer, FIG. 2 is a sectional view showing a schematic configuration of the wavelength multiplexer / demultiplexer of FIG. 1, and FIG. 3 is a diagram of the wavelength multiplexer / demultiplexer of FIG. FIG. 4 is a band diagram when an electric field is applied to the wavelength multiplexer / demultiplexer of FIG. 1, and FIG. 5 is an adjacent array waveguide of the wavelength multiplexer / demultiplexer of FIG. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the width of the arrayed waveguide and the equivalent refractive index difference, and FIG. 7 is the relationship between the equivalent refractive index change of the arrayed waveguide and the refractive index change of the semiconductor core layer. It is a graph showing.

図1に示すように、InPからなると共に(100)面方位を有する半導体基板101上には、当該基板101の周縁端に一端側を位置させた複数の入力導波路110が形成されている。これら入力導波路110の他端側は、当該基板101上に形成されたスラブ導波路120の一端側にそれぞれ接続している。このスラブ導波路120の他端側には、[0AA]方位又は[01A]方位へ平行となる直線部130aを曲線部130bの間に有するように当該基板101上に形成された複数のアレイ導波路130の一端側がそれぞれ接続している。   As shown in FIG. 1, on a semiconductor substrate 101 made of InP and having a (100) plane orientation, a plurality of input waveguides 110 having one end positioned on the peripheral edge of the substrate 101 are formed. The other end side of these input waveguides 110 is connected to one end side of the slab waveguide 120 formed on the substrate 101. On the other end side of the slab waveguide 120, a plurality of array conductors formed on the substrate 101 so as to have a linear portion 130a parallel to the [0AA] direction or the [01A] direction between the curved portions 130b. One end sides of the waveguides 130 are connected to each other.

これらアレイ導波路130の他端側は、当該基板101上に形成されたスラブ導波路140の一端側にそれぞれ接続している。このスラブ導波路140の他端側には、当該基板101上に形成された複数の出力導波路150の一端側がそれぞれ接続しており、これら出力導波路150は、他端側が当該基板101の周縁端にそれぞれ位置している。   The other end sides of the arrayed waveguides 130 are connected to one end sides of the slab waveguides 140 formed on the substrate 101, respectively. One end side of a plurality of output waveguides 150 formed on the substrate 101 is connected to the other end side of the slab waveguide 140, and the other end side of the output waveguide 150 is connected to the periphery of the substrate 101. Located at each end.

図2,3に示すように、上記各導波路110,120,130,140,150は、前記基板101上に、n型のInPからなる第一の半導体クラッド層102が設けられ、当該クラッド層102上に、ノンドープのInGaAsPからなる半導体コア層103(バンドギャップ波長1.05μm、厚さ0.5μm)が設けられ、当該コア層103上に、半絶縁(SI)型のInPからなる半絶縁(SI)層104が設けられ、当該SI層104上に、n型のInPからなる第二の半導体クラッド層105が設けられ、ハイメサ構造をそれぞれなしている。   As shown in FIGS. 2 and 3, each of the waveguides 110, 120, 130, 140, and 150 has a first semiconductor clad layer 102 made of n-type InP provided on the substrate 101, and the clad layer. A semiconductor core layer 103 (band gap wavelength: 1.05 μm, thickness: 0.5 μm) made of non-doped InGaAsP is provided on 102, and a semi-insulation made of semi-insulating (SI) type InP is formed on the core layer 103. An (SI) layer 104 is provided, and a second semiconductor clad layer 105 made of n-type InP is provided on the SI layer 104 to form a high mesa structure.

このようにして構成されるアレイ導波路格子においては、図1,3に示すように、前記アレイ導波路130の前記直線部130a上の一部分に、電源に接続して電圧を印加される第一の電極106が当該アレイ導波路130の各前記直線部130aの間を連絡するように当該アレイ導波路130の間にわたって配設されており、当該電極106は、当該アレイ導波路130の当該直線部130aの軸方向の長さを当該アレイ導波路130の配列方向一方側(図1中、上方側)よりも配列方向他方側(図1中、下方側)ほど長くするように台形状に形成されている。   In the arrayed waveguide grating configured as described above, as shown in FIGS. 1 and 3, a part of the arrayed waveguide 130 on the linear portion 130a is connected to a power source and applied with a voltage. The electrodes 106 are arranged between the arrayed waveguides 130 so as to communicate between the linear parts 130 a of the arrayed waveguides 130, and the electrodes 106 are connected to the linear parts of the arrayed waveguides 130. The length of the axial direction of 130a is formed in a trapezoidal shape so as to be longer toward the other side in the arrangement direction (lower side in FIG. 1) than one side (upper side in FIG. 1) of the arrayed waveguide 130 in the arrangement direction. ing.

つまり、前記電極106は、複数配列された各アレイ導波路130において、各前記アレイ導波路130の長さに対応して前記直線部130aの軸方向の長さが設定されているのである。   That is, in the arrayed waveguides 130 arranged in a plurality, the electrodes 106 have the lengths in the axial direction of the linear portions 130a corresponding to the lengths of the arrayed waveguides 130.

また、前記クラッド層102上には、接地する第二の電極107が設けられている。前記アレイ導波路130の前記直線部130aの前記電極106の配設箇所と未配設箇所との間には、当該間を電気的に絶縁するように前記クラッド層105の一部をエッチング除去した分離溝130cがそれぞれ形成されている。   A second electrode 107 that is grounded is provided on the cladding layer 102. A part of the clad layer 105 is removed by etching so as to electrically insulate between the place where the electrode 106 is provided and the place where the electrode 106 is not provided on the linear portion 130a of the arrayed waveguide 130. Separation grooves 130c are respectively formed.

つまり、前記電源を作動させることにより、すべてのアレイ導波路130の前記電極106の配設部分の前記コア層103のみに同一の電界を効率よく印加することができるようになっているのである。なお、本実施形態では、前記電極106,107、前記電源等により、電界印加手段を構成している。   That is, by operating the power supply, the same electric field can be efficiently applied only to the core layer 103 in the portion where the electrodes 106 of all the arrayed waveguides 130 are disposed. In the present embodiment, an electric field applying means is constituted by the electrodes 106 and 107, the power source and the like.

このような本実施形態に係る波長合分波器100において、前記電源により、前記電極106に負のバイアスVbを印加すると、図4に示すように、SI層104が電子eをブロックする層として作用するため、電流が流れず、前記コア層103に効率よく電界が掛かるようになる。このため、前記コア層103には、TEモードに対して前記式(2)に示したようなポッケルス効果による屈折率変化が誘起されることになる。 In the wavelength multiplexer / demultiplexer 100 according to this embodiment, when a negative bias Vb is applied to the electrode 106 by the power supply, the SI layer 104 blocks the electrons e as shown in FIG. Therefore, no current flows and an electric field is efficiently applied to the core layer 103. For this reason, in the core layer 103, a refractive index change due to the Pockels effect as shown in the equation (2) is induced with respect to the TE mode.

ここで、図5に示すように、i番目に位置する前記アレイ導波路130において、上部に前記電極106が位置する前記直線部130aの長さをLe,iとし、上部に前記電極106が位置しない前記直線部130a及び前記曲線部130bの長さをL0,iとし、i+1番目に位置する前記アレイ導波路130において、上部に前記電極106が位置する前記直線部130aの長さをLe,i+1とし、上部に前記電極106が位置しない前記直線部130a及び前記曲線部130bの長さをL0,i+1とし、さらに、上部に前記電極106が位置する前記直線部130aにおける電界印加時のTEモードの等価屈折率をn1 TEとし、上部に前記電極106が位置する前記直線部130aにおける電界印加時のTMモードの等価屈折率をn1 TMとし、上部に前記電極106が位置しない前記直線部130a及び前記曲線部130bにおけるTEモードの等価屈折率をn0 TEとし、上部に前記電極106が位置しない前記直線部130a及び前記曲線部130bにおけるTMモードの等価屈折率をn0 TMとすると、波長合分波器100のTEモードの位相整合条件は、下記の一般式(3)で表わすことができ、波長合分波器100のTMモードの位相整合条件は、下記の一般式(4)で表わすことができる。なお、上部に前記電極106が位置する前記直線部130aは、当然のことながら、電界無印加時において、TEモードの等価屈折率がn0 TEであり、TMモードの等価屈折率がn0 TMである。 Here, as shown in FIG. 5, in the i-th arrayed waveguide 130, the length of the linear portion 130a where the electrode 106 is located is Le , i, and the electrode 106 is located above. The lengths of the straight portion 130a and the curved portion 130b that are not located are L 0, i, and the length of the straight portion 130a in which the electrode 106 is located in the upper portion of the arrayed waveguide 130 located at the i + 1th position is L. e, i + 1 , the length of the straight portion 130a and the curved portion 130b where the electrode 106 is not located above is L 0, i + 1, and the straight portion 130a where the electrode 106 is located above. the equivalent refractive index of the TE mode when the electric field is applied to the n 1 TE, the equivalent refractive index of the TM mode when an electric field is applied in the linear portion 130a that the electrode 106 to the upper position and n 1 TM at, before the top The equivalent refractive index of the TE mode in the linear portion 130a and the curved portions 130b electrodes 106 is not positioned as n 0 TE, the equivalent refractive the TM mode in the linear portion 130a and the curved portion 130b the electrode 106 on the top is not positioned When the rate is n 0 TM , the phase matching condition for the TE mode of the wavelength multiplexer / demultiplexer 100 can be expressed by the following general formula (3). The phase matching condition for the TM mode of the wavelength multiplexer / demultiplexer 100 is Can be represented by the following general formula (4). It should be noted that the linear portion 130a on which the electrode 106 is positioned has a TE mode equivalent refractive index of n 0 TE and a TM mode equivalent refractive index of n 0 TM when no electric field is applied. It is.

ΔLe・n1 TE+ΔL0・n0 TE=mλ・・・(3)
ΔLe・n1 TM+ΔL0・n0 TM=mλ・・・(4)
ΔL e · n 1 TE + ΔL 0 · n 0 TE = mλ (3)
ΔL e · n 1 TM + ΔL 0 · n 0 TM = mλ (4)

このとき、
ΔLe=Le,i+1−Le,i
ΔL0=L0,i+1−L0,i
ΔLe+ΔL0=ΔL(ただし、ΔL>0)
であると共に、偏波無依存条件として式(3)の左辺と式(4)の左辺とが等しいとすると、下記の式(5)が得られる。
At this time,
ΔL e = L e, i + 1 −L e, i ,
ΔL 0 = L 0, i + 1 −L 0, i ,
ΔL e + ΔL 0 = ΔL (where ΔL> 0)
If the left side of equation (3) is equal to the left side of equation (4) as a polarization-independent condition, the following equation (5) is obtained.

(n1 TE−n1 TM)/(n0 TE−n0 TM)=−ΔL0/ΔLe
=1−(ΔL/ΔLe)・・・(5)
(N 1 TE −n 1 TM ) / (n 0 TE −n 0 TM ) = − ΔL 0 / ΔL e
= 1− (ΔL / ΔL e ) (5)

また、上述したように、ポッケルス効果によるTMモードに対する屈折率変化が無く、前記コア層103のバンドギャップ波長(1.05μm)が、光通信で一般的に用いられる波長帯(1.55μm帯)から十分離れていることから、フランツ・ケルディシュ効果による屈折率変化が略ゼロと考えられるので、前記等価屈折率n1 TMと前記等価屈折率n0 TMとは等しいとすることができる。よって、ΔLe=αΔL(ただし、αは0以外の任意の実数)とすると、上記式(5)は、さらに下記の式(6)として表わすことができる。 Further, as described above, there is no change in the refractive index with respect to the TM mode due to the Pockels effect, and the band gap wavelength (1.05 μm) of the core layer 103 is a wavelength band generally used in optical communication (1.55 μm band). Therefore, the equivalent refractive index n 1 TM and the equivalent refractive index n 0 TM can be made equal to each other. Therefore, if ΔL e = αΔL (where α is an arbitrary real number other than 0), the above equation (5) can be further expressed as the following equation (6).

1 TE−n0 TE=−(1/α)(n0 TE−n0 TM)・・・(6) n 1 TE −n 0 TE = − (1 / α) (n 0 TE −n 0 TM ) (6)

つまり、前記等価屈折率n1 TEが上記式(6)を満たすように、印加電圧Vbの大きさを調整することにより、偏波無依存化を実現することができるのである。 That is, polarization independence can be realized by adjusting the magnitude of the applied voltage V b so that the equivalent refractive index n 1 TE satisfies the above formula (6).

以下、より具体的に説明する。アレイ導波路130は、図6からわかるように、幅が2.65μm付近になると、偏波無依存となり、幅が2.65μm付近よりも広いと、TEモードの等価屈折率がTMモードの等価屈折率より大きくなり、幅が2.65μm付近よりも狭いと、TEモードの等価屈折率がTMモードの等価屈折率より小さくなる。   More specific description will be given below. As can be seen from FIG. 6, the arrayed waveguide 130 becomes independent of polarization when the width is near 2.65 μm, and when the width is wider than around 2.65 μm, the equivalent refractive index of the TE mode is equivalent to that of the TM mode. When the refractive index is larger than the refractive index and the width is narrower than around 2.65 μm, the TE mode equivalent refractive index becomes smaller than the TM mode equivalent refractive index.

ここで、アレイ導波路130の前記直線部130aを[0AA]方位に平行に配した場合、前記式(2)より、負のバイアスVbに対して、前記コア層103の屈折率変化が負となる。つまり、アレイ導波路130において、前記等価屈折率n1 TEが前記等価屈折率n0 TEよりも小さい関係であると(n1 TE<n0 TE)、偏波依存性を補償することができるのである。 Here, when the linear portion 130a of the arrayed waveguide 130 is arranged in parallel to the [0AA] direction, the refractive index change of the core layer 103 is negative with respect to the negative bias Vb according to the equation (2). It becomes. That is, in the arrayed waveguide 130, when the equivalent refractive index n 1 TE is smaller than the equivalent refractive index n 0 TE (n 1 TE <n 0 TE ), polarization dependence can be compensated. It is.

仮に、アレイ導波路130の幅を偏波無依存条件よりも若干広くなるように意図的に予め設定したとすると、図6からわかるように、前記等価屈折率n0 TEが前記等価屈折率n0 TMよりも大きくなり、前記式(6)の右辺が正になる。また、前記等価屈折率n1 TEが前記等価屈折率n0 TEよりも小さくなることから、前記式(6)の左辺が負となる。よって、前記式(6)の関係を成り立たせるように、α>0とすることにより、偏波依存性を補償できる範囲内とすることができる。つまり、アレイ導波路130がΔLずつ長くなるにしたがって、上部に前記電極106が位置する前記直線部130aの長さをΔLeずつ長くすればよいのである。 If the width of the arrayed waveguide 130 is intentionally set in advance so as to be slightly wider than the polarization-independent condition, as can be seen from FIG. 6, the equivalent refractive index n 0 TE is equal to the equivalent refractive index n. It becomes larger than 0 TM and the right side of the equation (6) becomes positive. Further, since the equivalent refractive index n 1 TE is smaller than the equivalent refractive index n 0 TE , the left side of the equation (6) is negative. Therefore, by satisfying α> 0 so that the relationship of the formula (6) is satisfied, the polarization dependency can be compensated. That is, according to the arrayed waveguide 130 becomes longer by [Delta] L, is the length of the straight portion 130a of the electrode 106 to the upper position may be lengthened by [Delta] L e.

簡単な例を挙げて説明すると、α=1、すなわち、ΔLe=ΔLのときには、n1 TE=n0 TM(<n0 TE)となるので、TEモードの等価屈折率をTMモードの等価屈折率と等しくなるように調整(屈折率を下げる)すればよいのである。 To explain with a simple example, when α = 1, that is, ΔL e = ΔL, n 1 TE = n 0 TM (<n 0 TE ), so that the equivalent refractive index of the TE mode is equivalent to that of the TM mode. It is only necessary to adjust (lower the refractive index) to be equal to the refractive index.

また、アレイ導波路130の幅を偏波無依存条件よりも若干細くなるように意図的に予め設定したとすると、図6からわかるように、前記等価屈折率n0 TEが前記等価屈折率n0 TMよりも小さくなり、前記式(6)の右辺が負になる。また、前記等価屈折率n1 TEが前記等価屈折率n0 TEよりも小さくなることから、前記式(6)の左辺が負となる。よって、前記式(6)の関係を成り立たせるように、α<0とすることにより、偏波依存性を補償できる範囲内とすることができる。 If the width of the arrayed waveguide 130 is intentionally set in advance so as to be slightly narrower than the polarization-independent condition, as can be seen from FIG. 6, the equivalent refractive index n 0 TE is equal to the equivalent refractive index n. It becomes smaller than 0 TM and the right side of the equation (6) becomes negative. Further, since the equivalent refractive index n 1 TE is smaller than the equivalent refractive index n 0 TE , the left side of the equation (6) is negative. Therefore, by satisfying α <0 so that the relationship of the formula (6) is satisfied, the polarization dependence can be compensated.

他方、アレイ導波路130の前記直線部130aを[01A]方位に平行に配した場合、前記式(2)より、負のバイアスVbに対して、前記コア層103の屈折率変化が正となる。この場合でも、アレイ導波路130の前記直線部130aを[0AA]方位に平行に配した上述の場合の理論と同様にして補償することができる。この場合と上述した場合とでは、αの符号が逆になることが違うだけである。なお、前記式(6)からわかるように、αを大きくすると、屈折率変化を小さくすることができる、すなわち、印加電界を小さくすることができる。 On the other hand, when the linear portion 130a of the arrayed waveguide 130 is arranged in parallel to the [01A] direction, the refractive index change of the core layer 103 is positive with respect to the negative bias Vb according to the equation (2). Become. Even in this case, compensation can be made in the same manner as the above-described theory in which the linear portion 130a of the arrayed waveguide 130 is arranged in parallel to the [0AA] direction. The only difference between this case and the case described above is that the sign of α is reversed. As can be seen from the equation (6), when α is increased, the refractive index change can be reduced, that is, the applied electric field can be reduced.

以上の条件をまとめると、下記の表3の通りとなる。   The above conditions are summarized as shown in Table 3 below.

Figure 2007133286
Figure 2007133286

引き続いて、簡単な検証を述べる。導波路の幅の加工誤差は、10-1μm単位程度であることはすでに述べた。この大きさは、本発明の導波路構造の等価屈折率の変化量に換算すると、0.00015程度である(図6参照)。つまり、等価屈折率を10-4程度変化させることにより、偏波無依存化を図ることができるのである。 Next, a simple verification will be described. As described above, the processing error of the waveguide width is about 10 −1 μm. This magnitude is about 0.00015 when converted to the amount of change in the equivalent refractive index of the waveguide structure of the present invention (see FIG. 6). In other words, polarization independence can be achieved by changing the equivalent refractive index by about 10 −4 .

さて、InGaAsPのポッケルス定数は、正確にはわからないが、同様な材料のGaAsのポッケルス定数が−1.4×10-12m/V程度であることから、InGaAsPでも同程度の値と推定される。InGaAsPのコア層は、屈折率が3.25程度であるので、前記式(2)より、2V程度の電圧に対して、10-4程度の屈折率変化を誘起することが可能となる。 Although the Pockels constant of InGaAsP is not exactly known, the Pockels constant of GaAs of the same material is about −1.4 × 10 −12 m / V, so that it is estimated that InGaAsP has the same value. . Since the core layer of InGaAsP has a refractive index of about 3.25, it is possible to induce a refractive index change of about 10 −4 with respect to a voltage of about 2 V from the above formula (2).

また、図7からわかるように、前記アレイ導波路130の等価屈折率変化は、前記コア層103の屈折率変化の大体半分程度の影響を受けているといえる。よって、前記アレイ導波路130の等価屈折率を10-4程度変化させるには、4V程度の電圧を掛ければよく、前記SI層104におけるFe等のドーピング密度や厚さを適切に設定することにより、耐圧を十分に有することができるので、何等問題なく対応することができる。 Further, as can be seen from FIG. 7, it can be said that the equivalent refractive index change of the arrayed waveguide 130 is affected by about half of the refractive index change of the core layer 103. Therefore, in order to change the equivalent refractive index of the arrayed waveguide 130 by about 10 −4 , a voltage of about 4 V may be applied, and by appropriately setting the doping density and thickness of Fe or the like in the SI layer 104. Since it can have a sufficient breakdown voltage, it can be handled without any problem.

このように、本実施形態に係る波長合分波器100においては、p型の層を用いていないため、光ロスの増大も招かず、作製後でも電圧印加によって偏波依存性を効率よく補償することができる。したがって、本実施形態に係る波長合分波器100によれば、半導体材料であっても、偏波無依存化を簡単に実現することができるので、歩留まりを向上させることができ、低コスト化を図ることができる。   As described above, since the wavelength multiplexer / demultiplexer 100 according to the present embodiment does not use the p-type layer, the optical loss is not increased, and the polarization dependence is efficiently compensated by applying the voltage even after the fabrication. can do. Therefore, according to the wavelength multiplexer / demultiplexer 100 according to the present embodiment, polarization independence can be easily realized even with a semiconductor material, so that the yield can be improved and the cost can be reduced. Can be achieved.

〈第二番目の実施形態〉
本発明に係る波長合分波器の第一番目の実施形態を図8,9に基づいて以下に説明する。図8は、波長合分波器の概略構成を表わす平面図、図9は、図8の波長合分波器の隣り合うアレイ導波路の相関関係説明図である。なお、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を本実施形態で用いることにより、前述した第一番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
<Second Embodiment>
A first embodiment of the wavelength multiplexer / demultiplexer according to the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 8 is a plan view showing a schematic configuration of the wavelength multiplexer / demultiplexer, and FIG. 9 is a diagram for explaining the correlation between adjacent arrayed waveguides of the wavelength multiplexer / demultiplexer of FIG. In addition, about the part similar to the case of 1st embodiment mentioned above, the code | symbol similar to the code | symbol used in description of 1st embodiment mentioned above is used in this embodiment, and 1st mentioned above. Description overlapping with that in the second embodiment is omitted.

図8に示すように、前記アレイ導波路130の各前記直線部130a上の一部分には、電源に接続して電圧を印加される第一の電極206が各アレイ導波路130の間を断続させるようにそれぞれ配設されており、当該電極206は、当該アレイ導波路130の当該直線部130aの軸方向の長さがそれぞれ等しくなっている。   As shown in FIG. 8, a first electrode 206 connected to a power source and applied with a voltage is intermittently connected between the arrayed waveguides 130 at a part of each of the linear portions 130 a of the arrayed waveguides 130. The electrodes 206 are equal in length in the axial direction of the linear portion 130a of the arrayed waveguide 130.

つまり、前述した第一番目の実施形態に係る波長合分波器100においては、前記アレイ導波路130の各前記直線部130aの間を連絡するように当該アレイ導波路130の間にわたって配設すると共に、当該アレイ導波路130の当該直線部130aの軸方向の長さを当該アレイ導波路130の配列方向一方側よりも配列方向他方側ほど長くするように台形状に形成された単一の第一の電極106を適用して、前記直線部130aの間を電気的に短絡して同一の電界を印加できるようにしが、本実施形態に係る波長合分波器200では、各アレイ導波路130の間を断続させるようにそれぞれ配設されると共に、当該アレイ導波路130の当該直線部130aの軸方向の長さがそれぞれ等しい複数の第一の電極206を適用して、各前記直線部130aの間でそれぞれ電気的に分離してそれぞれ独立の電界を印加できるようにしたのである。   That is, in the wavelength multiplexer / demultiplexer 100 according to the first embodiment described above, the wavelength multiplexer / demultiplexer 100 is disposed between the arrayed waveguides 130 so as to communicate with the linear portions 130a of the arrayed waveguides 130. At the same time, a single first trapezoidal shape is formed so that the length in the axial direction of the linear portion 130a of the arrayed waveguide 130 is longer than the one side in the array direction of the arrayed waveguide 130. One electrode 106 is applied so that the same electric field can be applied by electrically short-circuiting between the straight portions 130a. In the wavelength multiplexer / demultiplexer 200 according to the present embodiment, each array waveguide 130 is provided. And applying a plurality of first electrodes 206 having the same length in the axial direction of the linear portion 130a of the arrayed waveguide 130, respectively. It had to be able to apply independently of the electric field electrically separated respectively between lines portion 130a.

ここで、図9に示すように、上部に前記電極206が位置する前記アレイ導波路130の前記直線部130aの長さをLeとし、上部に前記電極206が位置しない前記直線部130a及び前記曲線部130bにおけるTEモードの等価屈折率をn0 TEとし、上部に前記電極206が位置しない前記直線部130a及び前記曲線部130bにおけるTMモードの等価屈折率をn0 TMとすると共に、i番目に位置する前記アレイ導波路130において、上部に前記電極206が位置しない前記直線部130a及び前記曲線部130bの長さをL0,iとし、上部に前記電極206が位置する前記直線部130aにおける電圧Vb,i印加時のTEモードの等価屈折率をn1 TEとし、上部に前記電極206が位置する前記直線部130aにおける電圧Vb,i印加時のTMモードの等価屈折率をn1 TMとし、i+1番目に位置する前記アレイ導波路130において、上部に前記電極206が位置しない前記直線部130a及び前記曲線部130bの長さをL0,i+1とし、上部に前記電極206が位置する前記直線部130aにおける電圧Vb,i+1印加時のTEモードの等価屈折率をni+1 TEとし、上部に前記電極206が位置する前記直線部130aにおける電圧Vb,i+1印加時のTMモードの等価屈折率をni+1 TMとすると(ただし、L0,i+1−L0,i=ΔL(>0)とする)、波長合分波器(アレイ導波路格子)200のTEモードの位相整合条件は、下記の一般式(7)で表わすことができ、波長合分波器(アレイ導波路格子)200のTMモードの位相整合条件は、下記の一般式(8)で表わすことができる。なお、上部に前記電極206が位置する前記直線部130aは、当然のことながら、電界無印加時において、TEモードの等価屈折率がn0 TEであり、TMモードの等価屈折率がn0 TMである。 Here, as shown in FIG. 9, the length of the straight portion 130a of the array waveguide 130 where the electrode 206 on the top is positioned and L e, the straight portion 130a and the said electrode 206 on the top is not positioned The equivalent refractive index of the TE mode in the curved portion 130b is n 0 TE , the equivalent refractive index of the TM mode in the straight portion 130a and the curved portion 130b where the electrode 206 is not located above is n 0 TM, and the i th In the arrayed waveguide 130 positioned at, the length of the straight portion 130a and the curved portion 130b where the electrode 206 is not located at the upper portion is L 0, i, and the length of the straight portion 130a where the electrode 206 is located at the upper portion. voltage V b, the equivalent refractive index of the TE mode when i is applied to the n 1 TE, the voltage V b at the straight portion 130a of the electrode 206 to the upper position, i The equivalent refractive index of the TM mode at the time of pressurizing and n 1 TM, in the arrayed waveguide 130 located at the i + 1 th, the length of the straight portion 130a and the curved portion 130b the electrode 206 on the top is not positioned L 0 , i + 1, and the equivalent refractive index of the TE mode when the voltage V b, i + 1 is applied to the linear portion 130a where the electrode 206 is located above is n i + 1 TE, and the electrode 206 is located above. If the equivalent refractive index of the TM mode when the voltage V b, i + 1 is applied to the linear portion 130a is n i + 1 TM (where L 0, i + 1 −L 0, i = ΔL (> 0)) The phase matching condition of the TE mode of the wavelength multiplexer / demultiplexer (arrayed waveguide grating) 200 can be expressed by the following general formula (7). The TM mode phase matching condition can be expressed by the following general formula (8). The It should be noted that the linear portion 130a on which the electrode 206 is positioned has a TE mode equivalent refractive index of n 0 TE and a TM mode equivalent refractive index of n 0 TM when no electric field is applied. It is.

e・(ni+1 TE−ni TE)+ΔL・n0 TE=mλ・・・(7)
e・(ni+1 TM−ni TM)+ΔL・n0 TM=mλ・・・(8)
Le · (n i + 1 TE −n i TE ) + ΔL · n 0 TE = mλ (7)
Le · (n i + 1 TM −n i TM ) + ΔL · n 0 TM = mλ (8)

よって、偏波無依存条件として式(7)の左辺と式(8)の左辺とが等しいとすると、下記の式(9)が得られる。   Therefore, assuming that the left side of equation (7) is equal to the left side of equation (8) as a polarization-independent condition, the following equation (9) is obtained.

{(ni+1 TE−ni TE)−(ni+1 TM−ni TM)}/(n0 TE−n0 TM
=−ΔL/Le・・(9)
{(N i + 1 TE −n i TE ) − (n i + 1 TM −n i TM )} / (n 0 TE −n 0 TM )
= -ΔL / L e (9)

また、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、TMモードの屈折率変化が無く、ni+1 TM=ni TMであるため、上記式(9)は、さらに下記の式(10)として表わすことができる。 Similarly to the case of the first embodiment described above, since there is no change in the refractive index of the TM mode and n i + 1 TM = n i TM , the above equation (9) is further expressed by the following equation ( 10).

i+1 TE−ni TE=−(ΔL/Le)(n0 TE−n0 TM
=一定・・・(10)
n i + 1 TE −n i TE = − (ΔL / L e ) (n 0 TE −n 0 TM )
= Constant (10)

つまり、i+1番目のアレイ導波路130に対する印加電圧Vb,i+1(<0)をi番目のアレイ導波路130の印加電圧Vb,i(<0)に対して、ある一定値ΔVb=Vb,i+1−Vb,iとなるように調整することにより、偏波無依存化を実現することができるのである。 That is, the applied voltage V b, i + 1 (<0) to the i + 1th array waveguide 130 is set to a certain value ΔV b with respect to the applied voltage Vb, i (<0) of the ith array waveguide 130. By making adjustment so that = V b, i + 1 −V b, i , polarization independence can be realized.

以下、より具体的に説明する。アレイ導波路130の幅に関係なく偏波無依存とするには、アレイ導波路130の直線部130aを[0AA]方位に平行に配した場合、前記式(2)より、負のバイアスに対して、前記コア層103の屈折率変化が負となる。   More specific description will be given below. In order to make the polarization independent regardless of the width of the arrayed waveguide 130, when the straight portion 130 a of the arrayed waveguide 130 is arranged in parallel to the [0AA] direction, Thus, the refractive index change of the core layer 103 becomes negative.

つまり、例えば、作製時のエラー等により、アレイ導波路130の幅が偏波無依存条件よりも広くなってしまった場合、前記等価屈折率n0 TEが前記等価屈折率n0 TMよりも大きくなる(n0 TE>n0 TM)ことから(前記図6参照)、前記式(10)の右辺が負となるので、前記等価屈折率ni TEが前記等価屈折率ni+1 TEよりも大きくなるように(ni+1 TE<ni TE)印加電圧を調整すればよいのである。すなわち、アレイ導波路130がΔLずつ長くなるにしたがって、バイアス値を大きくすればよいのである(|Vb,i+1|>|Vb,i|、ΔVb<0)。 That is, for example, when the width of the arrayed waveguide 130 becomes wider than the polarization-independent condition due to an error during manufacturing, the equivalent refractive index n 0 TE is larger than the equivalent refractive index n 0 TM. (N 0 TE > n 0 TM ) (see FIG. 6), the right side of the equation (10) is negative, so that the equivalent refractive index n i TE is greater than the equivalent refractive index n i + 1 TE . Therefore, the applied voltage should be adjusted so that (n i + 1 TE <n i TE ) increases. That is, as the arrayed waveguide 130 becomes longer by ΔL, the bias value is increased (| V b, i + 1 |> | V b, i |, ΔV b <0).

また、アレイ導波路130の幅が偏波無依存条件よりも細くなってしまった場合、前記等価屈折率n0 TEが前記等価屈折率n0 TMよりも小さくなる(n0 TE<n0 TM)ため(前記図6参照)、前記等価屈折率ni TEが前記等価屈折率ni+1 TEよりも小さくなるように(ni+1 TE>ni TE)印加電圧を調整すればよい。すなわち、アレイ導波路130がΔLずつ長くなるにしたがって、バイアス値を小さくすればよいのである(|Vb,i+1|<|Vb,i|、ΔVb>0)。 When the width of the arrayed waveguide 130 becomes narrower than the polarization-independent condition, the equivalent refractive index n 0 TE is smaller than the equivalent refractive index n 0 TM (n 0 TE <n 0 TM ) for (see FIG. 6), the equivalent refractive index n i TE may be adjusted to the to be smaller than the effective refractive index n i + 1 TE (n i + 1 TE> n i TE) applied voltage . That is, as the arrayed waveguide 130 becomes longer by ΔL, the bias value may be reduced (| V b, i + 1 | <| V b, i |, ΔV b > 0).

他方、アレイ導波路130の前記直線部130aを[01A]方位に平行に配した場合、前記式(2)より、負のバイアスに対して、前記コア層103の屈折率変化が正となる。この場合でも、アレイ導波路130の前記直線部130aを[0AA]方位に平行に配した上述の場合の理論と同様にして補償することができる。この場合と上述した場合とでは、偏波無依存条件からのアレイ導波路130の幅の実際のずれに対して、ΔVbの符号が逆になることが違うだけである。なお、前記式(10)からわかるように、Le大きくすると、等価屈折率変化ni+1 TE−ni TEを小さくすることができる、すなわち、ΔVbの絶対値を小さくすることができる。 On the other hand, when the linear portion 130a of the arrayed waveguide 130 is arranged in parallel to the [01A] direction, the refractive index change of the core layer 103 becomes positive with respect to a negative bias according to the equation (2). Even in this case, compensation can be made in the same manner as the above-described theory in which the linear portion 130a of the arrayed waveguide 130 is arranged in parallel to the [0AA] direction. The only difference between this case and the case described above is that the sign of ΔV b is reversed with respect to the actual deviation of the width of the arrayed waveguide 130 from the polarization-independent condition. As can be seen from the equation (10), when Le is increased, the equivalent refractive index change n i + 1 TE −n i TE can be reduced, that is, the absolute value of ΔV b can be reduced. .

以上の条件をまとめると、下記の表4の通りとなる。   The above conditions are summarized as shown in Table 4 below.

Figure 2007133286
Figure 2007133286

このように、本実施形態に係る波長合分波器200においてはp型の層を用いていないため、光ロスの増大も招かず、作製後でも電圧印加によって偏波依存性を効率よく補償することができる。したがって、本実施形態に係る波長合分波器200によれば、前述した第一番目の実施形態に係る波長合分波器100の場合と同様に、半導体材料であっても、偏波無依存化を簡単に実現することができるので、歩留まりを向上させることができ、低コスト化を図ることができるのはもちろんのこと、偏波無依存条件から導波路の幅が実際にどちらかにずれた場合であっても、ΔVbの符号を変えることにより、容易に補償することができる。 As described above, since the wavelength multiplexer / demultiplexer 200 according to the present embodiment does not use the p-type layer, the optical loss is not increased, and the polarization dependence is efficiently compensated by applying the voltage even after fabrication. be able to. Therefore, according to the wavelength multiplexer / demultiplexer 200 according to the present embodiment, as in the case of the wavelength multiplexer / demultiplexer 100 according to the first embodiment described above, even if it is a semiconductor material, it is polarization independent. Can be realized easily, so that the yield can be improved and the cost can be reduced, as well as the width of the waveguide actually deviates from the polarization independent condition. Even in this case, it can be easily compensated by changing the sign of ΔV b .

〈他の実施形態〉
なお、前述した第一,二番目の実施形態では、前記コア層103の上層をn型のInPとしたが、他の実施形態として、例えば、前記コア層103の上層をp型のInPとして、いわゆるpin構造としても、原理的には、本実施形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。しかしながら、p型の層は、価電子帯バンド間遷移に起因する光吸収が大きく、光フィールドがかかると、伝搬損失の増大化を招くため、本実施形態に係るようなアレイ導波路格子等の比較的大きなデバイスの場合にはあまり好ましくない。さらに、光吸収を減らすために、コア層(i層)を厚くすると、電界強度が弱まってしまい、効率が悪くなるという問題も生じることから、できれば避けた方が好ましい。
<Other embodiments>
In the first and second embodiments described above, the upper layer of the core layer 103 is n-type InP. However, as another embodiment, for example, the upper layer of the core layer 103 is p-type InP. Even in the so-called pin structure, in principle, the same operation and effect as in the case of the present embodiment can be obtained. However, the p-type layer has a large light absorption due to the transition between valence band bands, and when an optical field is applied, it causes an increase in propagation loss. This is not very desirable for relatively large devices. Furthermore, if the core layer (i layer) is made thick in order to reduce light absorption, the electric field strength will be weakened and the efficiency will be deteriorated. Therefore, it is preferable to avoid it if possible.

また、前述した第一,二番目の実施形態では、前記クラッド層105にn型のInPを使用したが、他の実施形態として、例えば、当該クラッド層105に光フィールドがかからない程にSI層104を厚くすれば、当該クラッド層105にp型のInPを使用することも可能である。   In the first and second embodiments described above, n-type InP is used for the clad layer 105. However, as another embodiment, for example, the SI layer 104 is not exposed to an optical field on the clad layer 105. If the thickness of the clad layer 105 is increased, p-type InP can be used for the clad layer 105.

また、前述した第一,二番目の実施形態では、前記コア層103と前記クラッド層(第二の半導体クラッド層)105との間に前記SI層104を設けるようにしたが、他の実施形態として、例えば、半導体コア層と第一の半導体クラッド層との間にSI層を設けるようにしても、本実施形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。ただし、この場合には、前述した第一,二番目の実施形態の場合と印加電界の向きを逆にする必要がある。また、半導体コア層と第一の半導体クラッド層との間及び半導体コア層と第二の半導体クラッド層との間の両方にSI層をそれぞれ設けることも可能である。   In the first and second embodiments described above, the SI layer 104 is provided between the core layer 103 and the clad layer (second semiconductor clad layer) 105. For example, even if an SI layer is provided between the semiconductor core layer and the first semiconductor clad layer, the same effects as those of the present embodiment can be obtained. However, in this case, it is necessary to reverse the direction of the applied electric field as in the case of the first and second embodiments described above. In addition, it is possible to provide SI layers both between the semiconductor core layer and the first semiconductor clad layer and between the semiconductor core layer and the second semiconductor clad layer.

また、前述した第一,二番目の実施形態では、前記コア層103をバルクとした場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、前記コア層103を量子井戸構造とすることも可能である。   In the first and second embodiments described above, the case where the core layer 103 is bulk has been described. However, as another embodiment, for example, the core layer 103 may have a quantum well structure. is there.

また、前述した第一,二番目の実施形態では、前記電極106,107と前記層102,105とを直接コンタクトさせるようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記電極106,107と前記層102,105との間にInGaAsやInGaAsP等からなるコンタクト層を設けて、コンタクト抵抗を下げるようにすることも可能である。   In the first and second embodiments described above, the electrodes 106 and 107 and the layers 102 and 105 are in direct contact. However, as another embodiment, for example, the electrodes 106 and 107 and the layers 102 and 105 are in contact with each other. It is also possible to provide a contact layer made of InGaAs, InGaAsP or the like between the layers 102 and 105 so as to lower the contact resistance.

また、前述した第一,二番目の実施形態では、接地する第二の電極107を前記第一の半導体クラッド層102上に設けるようにしたが、他の実施形態として、例えば、半導体基板にn型を使用している場合には、接地させる第二の電極を当該半導体基板の裏面に設けることも可能である。   Further, in the first and second embodiments described above, the second electrode 107 to be grounded is provided on the first semiconductor clad layer 102. However, as another embodiment, for example, n is provided on the semiconductor substrate. If a mold is used, a second electrode to be grounded can be provided on the back surface of the semiconductor substrate.

また、前述した第一,二番目の実施形態では、InGaAsP/InP系の半導体材料を使用した場合について説明したが、本発明は、このような材料に限定されるものではなく、その他の半導体材料であっても、前述した第一,二番目の実施形態の場合と同様に適用することができる。   In the first and second embodiments described above, the case where an InGaAsP / InP-based semiconductor material is used has been described. However, the present invention is not limited to such a material, and other semiconductor materials are used. However, it can be applied in the same manner as in the first and second embodiments described above.

本発明に係る波長合分波器は、製造プロセス時のエラーや加工誤差により生じた偏波依存性を光伝搬損失の増大等の特性劣化を伴うことなく補償することができるので、光波長多重方式を利用した光通信、光交換、光情報処理等の光伝送システムに適用すると、極めて有効に利用することができる。   The wavelength multiplexer / demultiplexer according to the present invention can compensate for polarization dependency caused by errors in manufacturing processes and processing errors without causing deterioration of characteristics such as an increase in optical propagation loss. When applied to an optical transmission system such as optical communication, optical exchange, and optical information processing using the method, it can be used extremely effectively.

本発明に係る波長合分波器の第一番目の実施形態の概略構成を表わす平面図である。1 is a plan view showing a schematic configuration of a first embodiment of a wavelength multiplexer / demultiplexer according to the present invention. 図1の波長合分波器の概略構成を表わす断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the wavelength multiplexer / demultiplexer of FIG. 1. 図1の波長合分波器の要部の概略構成を表わす断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a main part of the wavelength multiplexer / demultiplexer in FIG. 1. 図1の波長合分波器に電界を印加したときのバンドダイヤグラムである。2 is a band diagram when an electric field is applied to the wavelength multiplexer / demultiplexer of FIG. 図1の波長合分波器の隣り合うアレイ導波路の相関関係説明図である。FIG. 3 is a correlation explanatory diagram of adjacent arrayed waveguides of the wavelength multiplexer / demultiplexer of FIG. 1. アレイ導波路の幅と等価屈折率差との関係を表わすグラフである。It is a graph showing the relationship between the width | variety of an arrayed waveguide, and an equivalent refractive index difference. アレイ導波路の等価屈折率変化と半導体コア層の屈折率変化との関係を表わすグラフである。It is a graph showing the relationship between the equivalent refractive index change of an arrayed waveguide, and the refractive index change of a semiconductor core layer. 本発明に係る波長合分波器の第二番目の実施形態の概略構成を表わす平面図である。It is a top view showing schematic structure of 2nd embodiment of the wavelength multiplexer / demultiplexer which concerns on this invention. 図1の波長合分波器の隣り合うアレイ導波路の相関関係説明図である。FIG. 3 is a correlation explanatory diagram of adjacent arrayed waveguides of the wavelength multiplexer / demultiplexer of FIG. 1. 従来の波長合分波器の一例の概略構成を表わす平面図である。It is a top view showing schematic structure of an example of the conventional wavelength multiplexer / demultiplexer.

符号の説明Explanation of symbols

100,200 波長合分波器
101 半導体基板
102 第一の半導体クラッド層
103 半導体コア層
104 半絶縁(SI)層
105 第二の半導体クラッド層
106,206 第一の電極
107 第二の電極
110 入力導波路
120,140 スラブ導波路
130 アレイ導波路
130a 直線部
130b 曲線部
130c 分離溝
150 出力導波路
100, 200 Wavelength multiplexer / demultiplexer 101 Semiconductor substrate 102 First semiconductor clad layer 103 Semiconductor core layer 104 Semi-insulating (SI) layer 105 Second semiconductor clad layer 106, 206 First electrode 107 Second electrode 110 Input Waveguide 120, 140 Slab waveguide 130 Array waveguide 130a Straight line part 130b Curved part 130c Separation groove 150 Output waveguide

Claims (7)

半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられる第一の半導体クラッド層と、
前記第一の半導体クラッド層上に設けられるノンドープの半導体コア層と、
前記半導体コア層上に設けられる第二の半導体クラッド層と、
前記第一の半導体クラッド層と前記半導体コア層との間及び前記第二の半導体クラッド層と前記半導体コア層との間のうちの少なくとも一方の間に設けられる半絶縁性の半導体からなる半絶縁層と
を有するアレイ導波路を複数備えるアレイ導波路格子と、
前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記半導体コア層におけるTMモードに対する屈折率を変化させることなくTEモードに対する屈折率を変化させるように当該アレイ導波路にそれぞれ電界を印加する電界印加手段と
を備えていることを特徴とする波長合分波器。
A semiconductor substrate;
A first semiconductor cladding layer provided on the semiconductor substrate;
A non-doped semiconductor core layer provided on the first semiconductor cladding layer;
A second semiconductor cladding layer provided on the semiconductor core layer;
Semi-insulating made of a semi-insulating semiconductor provided between at least one of the first semiconductor clad layer and the semiconductor core layer and between the second semiconductor clad layer and the semiconductor core layer. An arrayed waveguide grating comprising a plurality of arrayed waveguides having layers; and
Electric field applying means for applying an electric field to the arrayed waveguide so as to change the refractive index for the TE mode without changing the refractive index for the TM mode in the semiconductor core layer of the arrayed waveguide of the arrayed waveguide grating; A wavelength multiplexer / demultiplexer characterized by comprising:
請求項1において、
前記電界印加手段が、
前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記半絶縁層上に位置するように当該アレイ導波路上に配設されて電圧を印加される第一の電極と、
前記アレイ導波路格子の前記第一の半導体クラッド層又は前記半導体基板に設けられて接地する第二の電極と
を備え、
前記第一の電極が、前記アレイ導波路格子の複数の前記アレイ導波路の間を連絡するように当該アレイ導波路の間にわたって配設されると共に、当該アレイ導波路の軸方向の長さを当該アレイ導波路の配列方向一方側よりも他方側ほど長くするように形成されている
ことを特徴とする波長合分波器。
In claim 1,
The electric field applying means is
A first electrode disposed on the arrayed waveguide to be positioned on the semi-insulating layer of the arrayed waveguide grating and applied with a voltage;
A second electrode provided on the first semiconductor clad layer or the semiconductor substrate of the arrayed waveguide grating and grounded,
The first electrode is disposed between the arrayed waveguides so as to communicate between the plurality of arrayed waveguides of the arrayed waveguide grating, and the axial length of the arrayed waveguides is reduced. A wavelength multiplexer / demultiplexer characterized in that the other side of the arrayed waveguide is longer than the other side in the arrangement direction.
請求項1において、
前記電界印加手段が、
前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記半絶縁層上に位置するように当該アレイ導波路上に配設されて電圧を印加される第一の電極と、
前記アレイ導波路格子の前記第一の半導体クラッド層又は前記半導体基板に設けられて接地する第二の電極と
を備え、
前記第一の電極が、前記アレイ導波路格子の複数の前記アレイ導波路の間を断続させるように当該アレイ導波路にそれぞれ配設されると共に、当該アレイ導波路の軸方向の長さがそれぞれ等しくなっている
ことを特徴とする波長合分波器。
In claim 1,
The electric field applying means is
A first electrode disposed on the arrayed waveguide to be positioned on the semi-insulating layer of the arrayed waveguide grating and applied with a voltage;
A second electrode provided on the first semiconductor clad layer or the semiconductor substrate of the arrayed waveguide grating and grounded,
The first electrodes are respectively disposed in the arrayed waveguides so as to intermittently connect the plurality of arrayed waveguides of the arrayed waveguide grating, and the axial lengths of the arrayed waveguides are respectively Wavelength multiplexer / demultiplexer characterized by equality.
請求項2又は請求項3において、
前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路が、軸方向に直線状をなす直線部を有し、
前記第一の電極が、前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記直線部上に配設されている
ことを特徴とする波長合分波器。
In claim 2 or claim 3,
The arrayed waveguide of the arrayed waveguide grating has a linear portion that is linear in the axial direction;
The wavelength multiplexer / demultiplexer, wherein the first electrode is disposed on the linear portion of the arrayed waveguide of the arrayed waveguide grating.
請求項4において、
前記アレイ導波路格子の前記半導体基板が、(100)面方位を有すると共に、
前記アレイ導波路の前記直線部が、下記の表1に示す(1)方位又は(2)方位に対して平行となっている
ことを特徴とする波長合分波器。
Figure 2007133286
In claim 4,
The semiconductor substrate of the arrayed waveguide grating has a (100) plane orientation;
The wavelength multiplexer / demultiplexer, wherein the linear portion of the arrayed waveguide is parallel to (1) direction or (2) direction shown in Table 1 below.
Figure 2007133286
請求項1から請求項5のいずれかにおいて、
前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記第一の半導体クラッド層及び前記第二の半導体クラッド層が、n型である
ことを特徴とする波長合分波器。
In any one of Claims 1-5,
The wavelength multiplexer / demultiplexer, wherein the first semiconductor clad layer and the second semiconductor clad layer of the arrayed waveguide of the arrayed waveguide grating are n-type.
請求項1から請求項6のいずれかにおいて、
前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路が、ハイメサ構造である
ことを特徴とする波長合分波器。
In any one of Claims 1-6,
The wavelength multiplexer / demultiplexer, wherein the arrayed waveguide of the arrayed waveguide grating has a high mesa structure.
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