JP2015106083A

JP2015106083A - 光方向性結合器

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Publication number: JP2015106083A
Application number: JP2013248508A
Authority: JP
Inventors: 藤澤　剛; Takeshi Fujisawa; 剛藤澤; 石井　啓之; Hiroyuki Ishii; 啓之石井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2015-06-08

Abstract

【課題】偶対称の電界分布を有するスーパーモードのみを導波モードとして用いた偏波無依存の光方向性結合器を提供する。【解決手段】光方向性結合器２００は、基板１０１と、基板１０１上に積層されたコア層１０２、１０３、１０４と、コア層１０４上に設けられた２つのリッジ導波路２０１，２０２とを備えた光方向性結合器２００であって、２つのリッジ導波路２０１，２０２は、奇対称な電界分布を有するスーパーモード及び偶対称の電界分布を有するスーパーモードを形成するように互いに近接され、奇対称な電界分布を有するスーパーモードの実効屈折率が基板１０１及びリッジ導波路２０１，２０２の実効屈折率のうち高い方の実効屈折率以下であり、偶対称の電界分布を有するスーパーモードの実効屈折率が高い方の実効屈折率よりも大きい。【選択図】図２

Description

本発明は、光方向性結合器に関し、より詳細には、奇対称の電界分布を有するスーパーモードをカットオフし、偶対称の電界分布を有するスーパーモードのみを導波モードとして利用した偏波無依存の光方向性結合器に関する。

近年、光デバイスの小型化や光通信用光源チップの大容量化を目的として、半導体レーザや光変調器などのいわゆる光アクティブデバイスと光導波路回路などのいわゆる光パッシブデバイスとをモノリシック集積する必要性が高まっている。各種の光機能回路を１つの基板上に集積することにより、多種多様な機能の実現及び通信容量の大容量化を実現することができる。これらのデバイスは、半導体レーザを容易に実現することができる直接遷移半導体である、ＩｎＰ、ＧａＡｓなどの化合物半導体材料を用いて製造される。

現在の光通信の利用の爆発的な広がりのために、光通信に用いられる光デバイスへの要求は多岐に渡り、スプリッタ、ＭＭＩ、方向性結合器などの光の信号を分岐する光導波路回路や、ＡＷＧなどの波長ごとに分波するための光導波路回路が重要となっている。中でも光方向性結合器は、２本の光導波路を近接させることによってそれぞれの導波モードが結合したスーパーモードを利用して光信号の分岐を行う回路であり、２本の光導波路を近接させる長さを変化させることで分岐比を変化させることができる。

光方向性結合器は、２つの導波路を隣接させた場合には２つのスーパーモードが形成され、１つのスーパーモードは偶対称の電界分布を有し、もう１つのスーパーモードは奇対称の電界分布を有する。一般に、偶対称の電界分布を有するスーパーモードの伝搬定数は奇対称の電界分布を有するスーパーモードの伝搬定数よりも大きく、よって、奇対称の電界分布を有するスーパーモードがより導波路のカットオフに近い。光方向性結合器は、それ単体ではもちろんのこと、マッハ・ツェンダー干渉計など各種の光回路の基礎構成部品として用いられている。

L.A. Coldren、S.W. Corzine, "Diode lasers and photonic integrated circuits," WILEY SERIES IN MICROWAVE AND OPTICAL ENGINEERING, John Wiley & Sons, Inc, １９９５年

このような光方向性結合器は、光通信において光の分岐に必要な様々な場面で用いられるが、その１つの問題点として、通常の光方向性結合器は偏波依存性を有することが挙げられる。光通信において、光信号は光ファイバ中を伝送されるが、光ファイバ入力時にはＴＥ偏光の光が入射したとしても光ファイバ中でＴＭモードと結合し、光ファイバ出力時には両偏波が混ざって出力される。このような信号を平面光回路に入射し、平面光回路に通して、分岐、波長分波、合波などの信号処理を施して信号を伝送することになるが、光回路中の構成要素が偏波依存性を有すると、信号中のＴＥ、ＴＭ偏波に対しての特性が異なるために、信号の劣化が生じる。

この偏波依存性を回避するためには通常、偏波ダイバーシティという方法が用いられる。これは、光ファイバから出力された信号を偏波スプリッタで２つの偏波に分けて、片方の偏波を偏波ローテータで回転し、他方の光と再び合波することで偏波の向きをそろえるものである。しかしながら、この方法では、偏波スプリッタ、偏波ローテータ、光合波器が別途必要なため、全体の回路のサイズや光部品の点数が多くなってしまう。よって、用いる光回路そのものが偏波無依存であることが望ましい。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、リッジ型の光方向性結合器を作製する際に、奇対称の電界分布を有するスーパーモードをカットオフし、偶対称の電界分布を有するスーパーモードのみを導波モードとして利用することにより、偏波無依存の光方向性結合器を実現する。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の光方向性結合器は、基板と、前記基板上に積層されたコア層と、前記コア層上に設けられた２つのリッジ導波路とを備えた光方向性結合器であって、前記２つのリッジ導波路は、奇対称な電界分布を有するスーパーモード及び偶対称の電界分布を有するスーパーモードを形成するように互いに近接され、前記奇対称な電界分布を有するスーパーモードの実効屈折率が前記基板及び前記リッジ導波路の実効屈折率のうち高い方の実効屈折率以下であり、前記偶対称の電界分布を有するスーパーモードの実効屈折率が前記高い方の実効屈折率よりも大きいことを特徴とする。

請求項２に記載の光方向性結合器は、請求項１に記載の光方向性結合器であって、前記コア層は、バルクの化合物半導体で構成され、前記コア層は、少なくとも、第１のコア層と、前記第１のコア層上に積層された第２のコア層と、前記第２のコア層上に積層された第３のコア層とを含み、前記第２のコア層は、前記第１のコア層及び前記第３のコア層よりも屈折率が小さいことを特徴とする。

本発明によると、２本のリッジ導波路を有する光方向性結合器に関し、コア層のバンドギャップ波長に依存して奇対称な電界分布を有するスーパーモードがカットオフとなることを利用することにより、偶対称な電界分布を有するスーパーモードのみを導波モードとして用いた偏波無依存の光方向性結合器が実現することができる。

本発明に係る光方向性結合器を製造するための半導体積層構造を示す図である。本発明に係る光方向性結合器の断面図を示す図である。従来の一般的な光方向性結合器におけるスーパーモード実効屈折率に対するＩｎＧａＡｓＰバルクコア層のバンドギャップ波長依存性を示す図である。従来の一般的な光方向性結合器における結合長に対するＩｎＧａＡｓＰバルクコア層のバンドギャップ波長依存性を示す図である。本発明の実施例に係る光方向性結合器のバー及びクロスポートにおける光パワーの伝搬距離依存性を示す図である。本発明の実施例に係る光方向性結合器における０μｍ又は６０μｍ伝搬後のＴＭ、ＴＥ両偏波の電界分布を示す図である。

図１は、本発明に係る光方向性結合器を製造するための半導体積層構造を示す。図１には、基板１０１と、基板１０１上に積層された厚さｗ_１［ｎｍ］の下部高屈折率コア層１０２と、下部高屈折率コア層１０２上に積層された厚さｈ［ｎｍ］の低屈折率コア層１０３と、低屈折率コア層１０３上に積層された厚さｗ_２［ｎｍ］の上部高屈折率コア層１０４と、上部高屈折率コア層１０４上に積層された上部クラッド層１０５とを含む半導体積層構造１００が示されている。半導体積層構造１００では、下部高屈折率コア層１０２は基板１０１と格子整合しており、上部クラッド層１０５はコンタクト層を含む。

図２は、本発明に係る光方向性結合器の断面図を示す。図２には、上部高屈折率コア層１０４上に、第１のリッジ導波路２０１及び第２のリッジ導波路２０２が独立に並んで設けられた光方向性結合器２００が示されている。以下、第１のリッジ導波路２０１及び第２のリッジ導波路２０２のそれぞれの導波路コア幅をＷとし、第１のリッジ導波路２０１と第２のリッジ導波路２０２との間の距離をｄとする。第１のリッジ導波路２０１及び第２のリッジ導波路２０２は、奇対称の電界分布を有するスーパーモード（以下、奇モードとする）及び偶対称の電界分布を有するスーパーモード（以下、偶モードとする）を形成するように互いに近接している。

（実施例）
本発明の実施例に係る光方向性結合器の製造方法を説明する。まず、ｎ型のＩｎＰからなる基板１０１上から、バルクのＩｎＧａＡｓＰで構成された下部高屈折率コア層１０２、ＩｎＰで構成された低屈折率コア層１０３、バルクＩｎＧａＡｓＰで構成された上部高屈折率コア層１０４、厚さ２μｍのＩｎＰで構成された上部クラッド層１０５の順に、ｗ_１＝ｗ_２＝２００ｎｍ、ｈ＝５０ｎｍとしてエピタキシャル成長する。

次に、フォトリソグラフィーにより、コア層をパターニングする。その後、ドライエッチングにより、上部クラッド層１０５の途中までエッチングし、その後、塩酸系の溶液を用いたウェットエッチングにより、上部クラッド層１０５を上部導波路コア層１０４の表面までエッチングする。本実施例では、Ｗ＝１．５μｍ、ｄ＝０．５μｍとした。また、本実施例では、コア層のバンドギャップ波長は１．０５μｍとした。以上により、後述のように、奇モードがカットオフになっており、偶モードのみを導波モードとして利用する、本実施例に係る光方向性結合器を製造することができる。

図３は、光方向性結合器における、スーパーモード実効屈折率についてのＩｎＧａＡｓＰバルクコア層のバンドギャップ波長依存性を示す。図３においては、Ｗ＝１．５μｍ、ｄ＝０．５μｍ、ｗ_１＝ｗ_２＝２００ｎｍ、ｈ＝５０ｎｍの場合の図２に示す光方向性結合器に波長λ＝１．５μｍの光を入射し、コア層のバンドギャップ波長を変化させた場合について示している。図３から、コア層のバンドギャップ波長が小さくなるほど実効屈折率が小さくなっていくことがわかる。

また、図３から、コア層のバンドギャップ波長が１．０５μｍの場合には、ＴＥ、ＴＭ両偏波に対して、奇モードがカットオフになっており、偶モードのみが導波モードとして存在することがわかる。この場合、光方向性結合器に入射した光は偶モードのみに結合するため、光を入力ポートから出力ポートへ完全に伝搬するために十分な入出力ポート間距離をとれば、光は必ず等分岐されることになる。

これを利用して、本発明に係る光方向性結合器では、奇モードがカットオフになっており、偶モードのみを導波モードとして用いている。カットオフは、上下クラッドとなる基板１０１、第１のリッジ導波路２０１、第２のリッジ導波路２０２の実効屈折率によって定まるため、本発明に係る光方向性結合器では、奇モードの実効屈折率が上部クラッドとなる第１のリッジ導波路２０１及び第２のリッジ導波路２０２の実効屈折率と下部クラッドとなる基板１０１の実効屈折率のうち高い方の実効屈折率以下であり、偶モードの実効屈折率が当該高い方の実効屈折率以上となるように、導波路幅Ｗとコア層厚ｗ_１、ｗ_２、ｈとを調整するとともに、コア層１０２〜１０４、上下クラッドとなる基板１０１、第１のリッジ導波路２０１、第２のリッジ導波路２０２の材料が選択されている。例えば、コア層厚ｗ_１、ｗ_２、ｈを小さくすると、各モードがカットオフに近づき、コア層と上下クラッド層との屈折率差を小さくすると、バンドギャップ波長も小さくなる。このように、奇モードをカットオフとし、偶モードのみを導波モードとして用いることにより、本発明では偏波無依存の光方向性結合器を実現している。

図４は、一般的な光方向性結合器における、結合長についてのＩｎＧａＡｓＰバルクコア層のバンドギャップ波長依存性を示す。図４においては、ｄ＝０．５μｍ、ｗ_１＝ｗ_２＝２００ｎｍ、ｈ＝５０ｎｍであって、Ｗ＝１．５μｍ又は２μｍのそれぞれの場合の図２に示す光方向性結合器に波長λ＝１．５μｍの光を入射し、コア層のバンドギャップ波長を変化させた場合について示している。ここで、結合長Ｌ_ｃとは、光方向性結合器の片方のポートから入力された光が、出力側でバーポート及びクロスポートに完全に出力されるような光方向性結合器の入出力ポート間の距離であり、非特許文献１に示されるように以下の（式１）により求めることができる。また、Δｎ_ｅｆｆは、奇モードと偶モードとの２つのスーパーモード間の実効屈折率の差を示す。

図４から、ＴＭモードとＴＥモードを比較すると、Ｗ＝１．５μｍの場合には、コア層のバンドギャップ波長が１．４μｍのときに３０μｍ程度の偏波依存性があることがわかる。コアのバンドギャップ波長を小さくしていくと、偏波依存性は小さくなっていくが、コアのバンドギャップ波長が１．１μｍの場合でも１０μｍ程度の偏波依存性が存在する。Ｗ＝２μｍの場合には、ＴＭモードとＴＥモードを比較すると偏波依存性はさらに大きく、コアのバンドギャップ波長が１．４μｍの場合には７０μｍ程度、コアのバンドギャップ波長が１．１μｍでは３０μｍ程度の偏波依存性が存在する。

なお、図４には、Ｗ＝１．５μｍの場合におけるコア層のバンドギャップ波長が１．０５μｍのときの結合長が示されていないが、図３に示したように、Ｗ＝１．５μｍ、ｄ＝０．５μｍ、ｗ_１＝ｗ_２＝２００ｎｍ、ｈ＝５０ｎｍ、コア層のバンドギャップ波長が１．０５μｍのときは、奇モードがカットオフされるため、奇モードと偶モードとの間の実効屈折率を示すΔｎ_ｅｆｆが定義できなくなるためである。一方で、Ｗ＝２μｍ、ｄ＝０．５μｍ、ｗ_１＝ｗ_２＝２００ｎｍ、ｈ＝５０ｎｍ、コア層のバンドギャップ波長が１．０５μｍの場合では結合長を算出することができるのは、Ｗ＝２μｍのときはＷ＝１．５μｍのときよりも奇モードの実効屈折率が増大し、奇モードがカットオフされないためである。

図５は、ビーム伝搬法によって算出した、本実施例に係る光方向性結合器における、ＴＥ及びＴＭ両偏波に対するバーポート及びクロスポートへの光のパワー比についての伝搬距離依存性を示す。図５において、縦軸は、光方向性結合器への入射光パワーに対する各出力ポートからの透過光パワーのパワー比を示している。図５に示されるように、両偏波ともに、バー及びクロスの間でパワーのやり取りをしながら伝播し、最終的に透過パワー比が０．４付近に収束するため、光が等分岐されていることがわかる。また、両偏波の間で振動の周期もほぼ等しい。ＴＥ及びＴＭ偏波で最終的なパワーが異なるのは、ＴＭ偏波の放射損失が大きいことによる。また、伝搬距離の短い部分を見ると、伝搬距離が１００μｍ程度まではほぼ偏波無依存に伝搬しており、透過パワー比は伝搬距離が６０μｍ付近でＴＥ、ＴＭモードに関して各ポートともに０．５付近でほぼ等しくなっていることがわかる。よって、例えば等分岐としたい場合は、図５から光方向性結合器の入出力ポート間距離を６０μｍとすれば、偏波依存性がほぼない等分岐カプラとして動作することがわかる。

図６は、本実施例に係る光方向性結合器における、光の伝搬距離が０μｍ又は６０μｍときのＴＭ、ＴＥ両偏波の電界分布を示す。図６（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ光の伝搬距離が０μｍのときのＴＭ、ＴＥ両偏波の電界分布を示し、図６（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ光の伝搬距離が６０μｍのときのＴＭ、ＴＥ両偏波の電界分布を示す。図６（ｃ）及び（ｄ）から、片側のポートに入射された光が６０μｍ伝搬後に両偏波に対して等分岐されていることがわかる。

なお、本発明では、２つの高屈折率コア層１０２及び１０４の間に低屈折率コア層１０３が挟まれた構成となっているが、原理的には、この低屈折率コア層１０３がなくても本発明に係る光方向性結合器２００を構成することは可能である。しかし、その場合、高屈折率コア層１０２及び１０４を非常に薄膜化する必要があり、モードフィールドの大きさの調整ができない。図１等に示されるように、２つの高屈折率コア層１０２及び１０４の間に低屈折率コア層１０３を挿入した構造を用いることで、モードフィールド径を制御しつつ、奇モードのみをカットオフにすることができる。

半導体積層構造１００
基板１０１
下部高屈折率コア層１０２
低屈折率コア層１０３
上部高屈折率コア層１０４
上部クラッド層１０５
光方向性結合器２００
第１のリッジ導波路２０１
第２のリッジ導波路２０２

Claims

基板と、
前記基板上に積層されたコア層と、
前記コア層上に設けられた２つのリッジ導波路と
を備えた光方向性結合器であって、
前記２つのリッジ導波路は、奇対称な電界分布を有するスーパーモード及び偶対称の電界分布を有するスーパーモードを形成するように互いに近接され、
前記奇対称な電界分布を有するスーパーモードの実効屈折率が前記基板及び前記リッジ導波路の実効屈折率のうち高い方の実効屈折率以下であり、前記偶対称の電界分布を有するスーパーモードの実効屈折率が前記高い方の実効屈折率よりも大きいことを特徴とする光方向性結合器。
前記コア層は、バルクの化合物半導体で構成され、
前記コア層は、少なくとも、第１のコア層と、前記第１のコア層上に積層された第２のコア層と、前記第２のコア層上に積層された第３のコア層とを含み、
前記第２のコア層は、前記第１のコア層及び前記第３のコア層よりも屈折率が小さいことを特徴とする請求項１に記載の光方向性結合器。