JP2013137360A - 光合分波素子およびマッハツェンダ型光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】反射戻り光の発生を抑えることが可能な光合分波素子（ＭＭＩ素子）を提供する。
【解決手段】ＭＭＩ素子１０は、均一幅の単一モード光導波路である第１および第２入出力導波路部１，２と、その間に配設された均一幅の多モード干渉導波路である第１多モード導波路部５を備える。第１入出力導波路部１の第１多モード導波路部５側には、第１多モード導波路部５に近い部分ほど幅が広くなる形状の第３入出力導波路部３が接続する。第２入出力導波路部２の第１多モード導波路部５側には、第１多モード導波路部５に近い部分ほど幅が広くなる形状の第４入出力導波路部４が接続する。第１多モード導波路部５と第４入出力導波路部４との間には、第４入出力導波路部４に近い部分ほど幅が狭くなる形状の第２多モード導波路部６が接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多モード干渉型の光合分波素子の構成に関するものである。

一つ以上の半導体レーザ（Laser Diode：ＬＤ）と光導波路や半導体光増幅素子（Semiconductor Optical Amplifier：ＳＯＡ）との接続や、マッハツェンダ（Mach Zehnder：ＭＺ）型干渉計を構成する目的で、多モード干渉（Multi Mode Interference：ＭＭＩ）型の光合分波素子（以下「ＭＭＩ素子」と称す）が広く用いられている。ＭＭＩ素子は、入出力用の幅の狭いポート導波路（単一モード導波路）の間に、幅の広い多モード導波路が配設された構成の光合分波素子であり、多モード導波路の形状やポート導波路の位置を適切に設計することによって、所望の合分波動作を行わせることが可能となる。

近年の通信需要の飛躍的な増大に伴い、波長の異なる複数の信号光を多重化して、１本の光ファイバで大容量伝送を可能とする波長分割多重通信システムの開発が進められている。波長分割多重通信システムを実現化する上で、全波長帯域をカバーする波長可変ＬＤが注目されている。

一方、波長可変ＬＤとのモノリシック集積が可能な半導体光変調器としては、従来用いられてきた電界吸収型光変調器では対応できる波長範囲が限られるため、ＭＺ型光変調器が有力である。ＭＺ型光変調器では、波長可変ＬＤから入力された光は、入力側のＭＭＩ素子で分波（分岐）された後、複数の導波路を経て再度出力側のＭＭＩ素子で合波されるが、このとき、各導波路に設けられた電極を介した印加電界により、各導波路間の光の位相差を制御することで信号光のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられる。

下記の特許文献１，２には、ＭＭＩ素子の製造ばらつきを抑えるために、ＭＭＩ素子のポート導波路の一部にテーパ形状の領域を設けることが提案されている。

特開２０００−２２１３４５号公報 特開２００６−２８４７９１号公報

ＭＭＩ素子の多モード導波路部とポート導波路部との境界付近においては、モードの不整合に起因する微小な反射が発生する。この反射は微小ではあるものの、特にＳＯＡを介してＬＤへの戻り光となった場合には、ＬＤの動作が不安定化して、発振線幅が増大するなどの問題が生じる。４０Ｇｂｐｓ以上の高速変調を用いた光通信システムには、少なくとも１ＭＨｚ以下の狭発振線幅が必要とされており、発振線幅の増大は回避する必要がある。

特許文献１では、入射光を二つに分波するＭＭＩ素子（１×２ＭＭＩ素子）において、各ポート導波路部における多モード導波路部に近い部分をテーパ形状にした構造が開示されている。この構成により、多モード導波路部の形状が作製誤差でばらついた場合でも、ＭＭＩ素子の分波特性の劣化や過剰損失の発生を抑えることができる。

また特許文献２では、１×２ＭＭＩ素子の多モード導波路部の形状を、２つのポート導波路に近い部分ではポート導波路側が広い幅となるテーパ状にし、且つ、１つのポート導波路に近い部分では一定幅とした構成が開示されている。この構成により、寸法誤差の影響が小さく、かつ全長が短い１×２ＭＭＩ素子を構成できる。

しかし、特許文献１，２のいずれにおいても、ＭＭＩ素子からの反射戻り光を低減するための素子構造については言及されていない。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、本発明は、反射戻り光の発生を抑えることが可能な光合分波素子（ＭＭＩ素子）を提供することを目的とする。

本発明に係る光合分波素子は、均一幅の単一モード光導波路である第１入出力導波路部および第２入出力導波路部と、前記第１入出力導波路部と前記第２入出力導波路部との間に配設された均一幅の多モード干渉導波路である第１多モード導波路部と、前記第１入出力導波路部の前記第１多モード導波路部側に接続し、前記第１多モード導波路部に近い部分ほど幅が広くなる形状の第３入出力導波路部と、前記第２入出力導波路部の前記第１多モード導波路部側に接続し、前記第１多モード導波路部に近い部分ほど幅が広くなる形状の第４入出力導波路部と、前記第１多モード導波路部の前記第４入出力導波路部側に接続し、前記第４入出力導波路部に近い部分ほど幅が狭くなる形状の第２多モード導波路部とを備え、前記第１多モード導波路部は、前記第３入出力導波路部に接続し、前記第２多モード導波路部は、前記第４入出力導波路部に接続しているものである。

本発明によれば、光合分波素子から、入力側のＬＤへの反射戻り光を抑制できる。そのためＬＤの発振線幅の増大を防止することが可能となる。

実施の形態１に係るＭＭＩ素子の構成を示す平面図である。 実施の形態１に係るＭＭＩ素子（第１入出力導波路部）の断面図である。 実施の形態１に係るＭＭＩ素子（第１多モード導波路部）の断面図である。 ＭＭＩ素子における反射量と動作波長との関係を示すグラフである。 実施の形態２に係るＭＭＩ素子の構成を示す平面図である。 実施の形態３に係るマッハツェンダ型変調器の構成模式図である。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係るＭＭＩ型の光合分波素子（ＭＭＩ素子）１０の構成を示す平面図である。同図の如く、当該ＭＭＩ素子１０は、第１〜第４入出力導波路部１〜４と、第１および第２多モード導波路部５，６とから構成されている。図２および図３は、ＭＭＩ素子１０の断面図であり、図２は図１のＡ１−Ａ２線に沿った断面、図３は図１のＢ１−Ｂ２線に沿った断面に相当する。

本実施の形態のＭＭＩ素子１０は、ＩｎＰ基板２０上に形成されたリッジ型の光導波路である。すなわち、図２および図３に示すように、ＭＭＩ素子１０は、ＩｎＰ基板２０上にＩｎＰ下部クラッド層２１、ＩｎＧａＡｓＰコア層２２およびＩｎＰ上部クラッド層２３がこの順に積層した積層構造を有するダブルヘテロ型の導波路を構成している。ＩｎＧａＡｓＰコア層２２は、バルク結晶でもよいし、多重量子井戸（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）でもよい。なお、図２および図３では、それぞれ第１入出力導波路部１および第１多モード導波路部５の断面を示しているが、他の第２入出力導波路部２、第３入出力導波路部３、第４入出力導波路部４および第２多モード導波路部６も同様の積層構造である。

再び図１を参照し、両端の第１入出力導波路部１および第２入出力導波路部２は、それぞれ均一幅の単一モード光導波路である。本実施の形態のＭＭＩ素子１０は、第１入出力導波路部１を２つ、第２入出力導波路部２を１つ有する「１×２ＭＭＩ素子」である。ここで、第１入出力導波路部１の幅をＷ１、第２入出力導波路部２の幅をＷ２とそれぞれ定義する。

第１多モード導波路部５は、第１入出力導波路部１と第２入出力導波路部２との間に配設される、均一幅の多モード干渉導波路である。第１多モード導波路部５の幅Ｗ５と定義する。

第３入出力導波路部３は、各第１入出力導波路部１の第１多モード導波路部５側に接続し、第１多モード導波路部５に近い部分ほど幅が広くなるテーパ形状の単一モード光導波路である。第３入出力導波路部３における第１入出力導波路部１との接続端の幅は、当該第１入出力導波路部１の幅と同じである。第１多モード導波路部５は、第３入出力導波路部３に接続される。第３入出力導波路部３における第１多モード導波路部５との接続端の幅をＷ３と定義する。

第４入出力導波路部４は、第２入出力導波路部２の第１多モード導波路部５側に接続し、第１多モード導波路部５に近い部分ほど幅が広くなるテーパ形状の単一モード光導波路である。第４入出力導波路部４における第２入出力導波路部２との接続端の幅は、当該第２入出力導波路部２の幅と同じである。

第２多モード導波路部６は、第１多モード導波路部５の第４入出力導波路部４側に接続し、第４入出力導波路部４に近い部分ほど幅が狭くなるテーパ形状の多モード干渉導波路である。第２多モード導波路部６における第１多モード導波路部５との接続端の幅は、当該第１多モード導波路部５の幅と同じである。第２多モード導波路部６は、第４入出力導波路部４に接続される。第２多モード導波路部６における第４入出力導波路部４との接続端の幅は、当該第４入出力導波路部４の幅と同じである。第４入出力導波路部４における第２多モード導波路部６との接続端の幅をＷ４と定義する。

ＭＭＩ素子１０は、第１入出力導波路部１側から第２入出力導波路部２側へ向かう方向に沿った中心線Ｃを軸にして対象な形状である。図１の例では、第２入出力導波路部２が１つのみであるため、中心線Ｃはその上を通る。

第２入出力導波路部２から第１入出力導波路部１へ向かう方向への、第２多モード導波路部６の広がり角は、第４入出力導波路部４の広がり角よりも大きい。つまり、第２多モード導波路部６の側面が中心線Ｃに対してなす角度は、第４入出力導波路部４の側面が中心線Ｃに対してなす角よりも大きく、且つ、９０度未満である。

本実施の形態では、第３入出力導波路部３における第１多モード導波路部５との接続端の幅Ｗ３は、第１入出力導波路部１の幅Ｗ１の１．５〜２．５倍、且つ、第１多モード導波路部５の幅Ｗ５の１／２以下とした。同様に、第４入出力導波路部４における第２多モード導波路部６との接続端の幅Ｗ４は、第２入出力導波路部２の幅Ｗ２の１．５〜２．５倍、且つ、第２入出力導波路部２の幅Ｗ２の１／２以下とした。

さらに、本実施の形態では、第１入出力導波路部１の幅Ｗ１と第２入出力導波路部２の幅Ｗ２とが互いに等しくなるように構成している（Ｗ１＝Ｗ２）。また、第３入出力導波路部３における第１多モード導波路部５との接続端の幅Ｗ３と、第４入出力導波路部４における第２多モード導波路部６との接続端の幅Ｗ４とが、互いに等しくされている（Ｗ３＝Ｗ４）。

ここで、ＭＭＩ素子１０の動作について説明する。ＭＭＩ素子１０は受動光素子であり、入出力に関して相反性が成り立つ。すなわち、入力光の分波動作を時間的に反転させたものが、逆方向から見た合波動作となる。

例えば、幅Ｗ１の第１入出力導波路部１から入った導波光は、第３入出力導波路部３を通過する間にその幅がＷ３に増大する。第３入出力導波路部３を通過した導波光は、第１多モード導波路部５を通過する間に、多モード領域の固有モードに展開されて干渉し、特定の長さにおいて第４入出力導波路部４にほぼ無損失で結像して、第２入出力導波路部２から出力される。

逆に、幅Ｗ２の第２入出力導波路部２から入った導波光は、第４入出力導波路部４を通過する間にその幅がＷ４に増大する。第４入出力導波路部４を通過した導波光は、第４入出力導波路部４を通過する間に、多モード領域の固有モードに展開されて干渉し、特定の長さにおいて第３入出力導波路部３にほぼ無損失で結像して、第１入出力導波路部１から出力される。

図４は、１×２ＭＭＩ素子における導波光の反射量のＭＭＩ素子形状依存性を示す数値シミュレーション結果である。１×２ＭＭＩ素子の各ポート導波路（単一モード導波路）からの反射量は、２本の入力ポート導波路側から見たものが最大になる。

図４のグラフにおいて「形状Ａ」は、各導波路部が均一幅の（テーパ状の部分を有さない）通常のＭＭＩ素子の場合である。この場合、最大−１３ｄＢもの反射が発生する。

「形状Ｂ」は、均一幅の多モード導波路部の片側（１つのポート導波路が接続する側）に、ポート導波路部に近い部分ほど幅が狭くなるテーパ形状の第２多モード導波路部を設けたＭＭＩ素子の場合である。この場合の反射量は−４０ｄＢ前後であり、「形状Ａ」に比べて大幅に減少する。但し、反射量の波長依存性が大きく、反射スペクトルのグラフに鋭い凹凸が見られる。

「形状Ｃ」は、本発明に係るＭＭＩ素子の場合である。すなわち、均一幅の多モード導波路部（第１多モード導波路部５）の片側に、テーパ形状の多モード導波路部（第２多モード導波路部６）を設け、さらに、各ポート導波路（第１および第２入出力導波路部１，２）と多モード導波路部（第１および第２多モード導波路部５，６）との間に、多モード導波路部に近い部分ほど幅が広くなるテーパ形状のポート導波路（第３および第４入出力導波路部４，５）を設けたＭＭＩ素子の場合である。この場合、−５０ｄＢ程度まで反射量を抑えることができ、反射量の波長依存性も小さいことが分かる。

このように、本実施の形態に係るＭＭＩ素子によれば、当該ＭＭＩ素子から入力側への反射戻り光を抑制できる。それにより、入力側のＬＤの発振線幅の増大を防止することが可能となる。

図４においては、１×２ＭＭＩ素子を想定したシミュレーション結果を示したが、本発明は１×２ＭＭＩ素子以外の形態のＭＭＩ素子に対しても適用可能である。すなわち、１以上のポート導波路部を有するＭＭＩ素子において、各ポート導波路部と多モード導波路部の両方にテーパ状の導波路部を設けることにより、上記と同様に反射量低減の効果が得られる。

なお、各ポート導波路（第１および第２入出力導波路部１，２）と多モード導波路部（第１および第２多モード導波路部５，６）との境界位置におけるモード重なり積分の低下による過剰損失を防止し、且つポート導波路部間の干渉を防止するためには、本実施の形態のように、第３および第４入出力導波路部３，４の幅が、最も幅広となる多モード導波路部との接続端で互いに等しく（図１においてＷ３＝Ｗ４）、第１多モード導波路部５の幅Ｗ５の１／２以下であることが望ましい。

上記の過剰損失およびポート導波路部間の干渉をさらに抑えるためには、テーパ形状の第３および第４入出力導波路部３，４内で、単一導波モードが維持されていることが望ましい。そのためには、本実施の形態のように、第３入出力導波路部３における第１多モード導波路部５との接続端の幅Ｗ３を、第１入出力導波路部１の幅Ｗ１の１．５〜２．５倍にし、同様に、第４入出力導波路部４における第２多モード導波路部６との接続端の幅Ｗ４を、第２入出力導波路部２の幅Ｗ２の１．５〜２．５倍にすることが必要である。

また、ＭＭＩ素子１０のサイズをできるだけ小さく収めるために、テーパ形状の各導波路（第２および第３入出力導波路部２，３並びに第２多モード導波路部６）の長さは、それぞれ４０〜６０μｍ程度あるいはそれよりも短いことが望ましい。

＜実施の形態２＞
図５は、実施の形態２に係るＭＭＩ素子１０の構成を示す平面図である。当該ＭＭＩ素子１０の構成は、図１に示したものとほぼ同様であるが、２つの第３入出力導波路部３の側面が、第１入出力導波路部１から第１多モード導波路部５へ向かう方向への第３入出力導波路部３の広がり角が、第１多モード導波路部５に近い部分ほど大きくなるように湾曲している点で図１とは異なっている。特に、本実施の形態のＭＭＩ素子１０では、隣り合う第３入出力導波路部３の側面が、第１多モード導波路部５との接続部近傍で繋がって円弧状の側面を形成している。

ＭＭＩ素子における反射量を低減するためには、複数の第３入出力導波路部３の間隔は、干渉が起こらない範囲でなるべく近いのが理想である。ただしその間隔が狭いと、ＭＭＩ素子１０の製造プロセスにおけるフォトレジストパターンの形成の際に、第３入出力導波路部３と第１多モード導波路部５との境界近傍で、隣接する第３入出力導波路部３のパターンの間の角部の形状に丸みが生じる（いわゆる角部の「だれ」が生じる）。その結果、隣接する第３入出力導波路部３の間に、図５に示すような円弧状の側面が形成される。このように第３入出力導波路部３と第１多モード導波路部５との接続部の側面が滑らかな形状となることは、ＭＭＩ素子１０の反射量を低減するように働くため、むしろ好ましい。

ここでは角部の「だれ」が生じた結果として、第３入出力導波路部３の側面が円弧状に湾曲する場合を説明したが、もちろん意図的に第３入出力導波路部３の側面を円弧状に形成してもよい。すなわち、フォトレジストの露光に用いるフォトマスクとして、第３入出力導波路部３の側面パターンが湾曲したものを用いてもよい。

＜実施の形態３＞
実施の形態３では、本発明に係るＭＭＩ素子１０を用いてマッハツェンダ型変調器を構成する。図６は、マッハツェンダ型変調器３０の構成模式図である。

本実施の形態のマッハツェンダ型変調器３０は、その入出力端に、本発明に係るＭＭＩ素子１０を備えている。すなわち、２つのＭＭＩ素子１０の第１入出力導波路部１同士は、曲がり導波路１１を用いて接続され、各曲がり導波路１１の一部には電界を印加するための電極１２が設けられている。

本実施の形態によれば、反射戻り光の少ないマッハツェンダ型変調器を得ることができる。それにより、入力側のＬＤの発振線幅の増大を防止することが可能となる。また、本実施の形態のマッハツェンダ型変調器３０を、ＬＤと共にモノリシック集積してもよく、その場合も同様の効果が得られる。

図６ではマッハツェンダ型変調器３０の最も単純な形態を示したが、例えば、曲がり導波路１１の途中にさらにマッハツェンダ型変調器を入れ子状に介在させた、多値位相変調器にも容易に拡張できることは言うまでもない。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 第１入出力導波路部、２ 第２入出力導波路部、３ 第３入出力導波路部、４ 第４入出力導波路部、５ 第１多モード導波路部、６ 第２多モード導波路部、１０ ＭＭＩ素子、１１ 曲がり導波路、１２ 電極、３０ マッハツェンダ型変調器。

Claims (12)

1. 均一幅の単一モード光導波路である第１入出力導波路部および第２入出力導波路部と、
   前記第１入出力導波路部と前記第２入出力導波路部との間に配設された均一幅の多モード干渉導波路である第１多モード導波路部と、
   前記第１入出力導波路部の前記第１多モード導波路部側に接続し、前記第１多モード導波路部に近い部分ほど幅が広くなる形状の第３入出力導波路部と、
   前記第２入出力導波路部の前記第１多モード導波路部側に接続し、前記第１多モード導波路部に近い部分ほど幅が広くなる形状の第４入出力導波路部と、
   前記第１多モード導波路部の前記第４入出力導波路部側に接続し、前記第４入出力導波路部に近い部分ほど幅が狭くなる形状の第２多モード導波路部とを備え、
   前記第１多モード導波路部は、前記第３入出力導波路部に接続し、
   前記第２多モード導波路部は、前記第４入出力導波路部に接続している
   ことを特徴とする光合分波素子。
2. 前記第１入出力導波路部側から前記第２入出力導波路部側へ向かう方向に沿った中心線を軸にして対象な形状である
   請求項１記載の光合分波素子。
3. 前記第３入出力導波路部における前記第１多モード導波路部との接続端の幅と、前記第４入出力導波路部における前記第２多モード導波路部との接続端の幅とが等しい
   請求項１または請求項２記載の光合分波素子。
4. 前記第３入出力導波路部における前記第１多モード導波路部との接続端の幅は、前記第１入出力導波路部の幅の１．５〜２．５倍、且つ、前記第１多モード導波路部の幅の１／２以下である
   請求項１から請求項３のいずれか一項記載の光合分波素子。
5. 前記第４入出力導波路部における前記第２多モード導波路部との接続端の幅は、前記第２入出力導波路部の幅の１．５〜２．５倍、且つ、前記第１多モード導波路部の幅の１／２以下である
   請求項１から請求項４のいずれか一項記載の光合分波素子。
6. 前記第３入出力導波路部および前記第４入出力導波路部内で単一導波モードが維持されている
   請求項１から請求項５のいずれか一項記載の光合分波素子。
7. 前記第２入出力導波路部から前記第１入出力導波路部へ向かう方向への、前記第２多モード導波路部の広がり角は、前記第４入出力導波路部の広がり角よりも大きい
   請求項１から請求項６のいずれか一項記載の光合分波素子。
8. 前記第１入出力導波路部および第３入出力導波路部を複数組備え、
   前記複数の第３入出力導波路部の各々の側面は、前記第１入出力導波路部から前記第１多モード導波路部へ向かう方向への前記第３入出力導波路部の広がり角が前記第１多モード導波路部に近い部分ほど大きくなるように湾曲している
   請求項１から請求項７のいずれか一項記載の光合分波素子。
9. 隣り合う第３入出力導波路部の側面が、前記第１多モード導波路部との接続部近傍で繋がって円弧状の側面を形成している
   請求項８記載の光合分波素子。
10. 前記第３入出力導波路部における前記第１入出力導波路部との接続端の幅は、当該第１入出力導波路部の幅と同じであり、
    前記第４入出力導波路部における前記第２入出力導波路部との接続端の幅は、当該第２入出力導波路部の幅と同じであり、
    前記第２多モード導波路部における前記第１多モード導波路部との接続端の幅は、当該第１多モード導波路部の幅と同じである
    請求項１から請求項９のいずれか一項記載の光合分波素子。
11. 前記第２入出力導波路部および前記第４入出力導波路部の組を１つのみ備え、
    前記第２多モード導波路部における前記第４入出力導波路部との接続端の幅は、当該第４入出力導波路部の幅と同じである
    請求項１から請求項１０のいずれか一項記載の光合分波素子。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか一項記載の光合分波素子を、入出力端に備えることを特徴とするマッハツェンダ型光変調器。

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