JP2017201353A - スポットサイズ変換器、半導体光デバイス - Google Patents

スポットサイズ変換器、半導体光デバイス Download PDF

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Abstract

【課題】奇数次の高次モードを低減できるスポットサイズ変換器を提供する。【解決手段】スポットサイズ変換器１３は、シングルモードの導波を可能にする第１幅を有する第１半導体導波路構造２１と、外部光導波路に光学的に結合可能な端面を有し、第１半導体導波路構造２１の第１幅より大きい第２幅の第２半導体導波路構造２３と、第１半導体導波路構造２１の第１幅及び第２半導体導波路構造２３の第２幅より大きい第３幅の第３半導体導波路構造２５と、第３半導体導波路構造２５に接続された一端及び前記第１半導体導波路構造２１に接続された他端を有するテーパ導波路２７とを備える。テーパ導波路２７の幅は、テーパ導波路２７の一端からテーパ導波路２７の他端への方向に徐々に変化する。第２半導体導波路構造２３は、第３半導体導波路構造２５に光学的に結合される。【選択図】図１

Description

本発明は、スポットサイズ変換器、及び半導体光デバイスに関する。
非特許文献１は、スポットサイズ変換器を開示する。
IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 3, NO. 6, DECEMBER 1997, pp.1308-1320
非特許文献１のスポットサイズ変換器は、外部導波路に結合されるべき端面を備えており、また内部導波路から素子の端面への方向に広がる導波路幅を有する。発明者の知見によれば、スポットサイズ変換器に外部から入射する光ビームの位置ずれは、スポットサイズ変換器の導波路において高次モードを励振する。スポットサイズ変換器は、入射ビームのスポットサイズを変換すると共に、励振された高次モードを基本モードと一緒に内部導波路に提供する。発明者の検討によれば、出力光ビームの高次モードの一部は、内部導波路を伝搬するに際して減衰するけれども、残った高次モードは、スポットサイズ変換器からの光ビームを受ける光学処理に、予期せぬ副作用を引き起こす。
本発明の一側面は、このような背景に基づき為されたものであり、奇数次の高次モードを低減できるスポットサイズ変換器を提供することを目的とし、また、本発明の別の側面は、このスポットサイズ変換器を含む半導体光デバイスを提供することを目的とする。
本発明の一側面に係るスポットサイズ変換器は、シングルモードの導波を可能にする第１幅を有する第１半導体導波路構造と、外部光導波路に光学的に結合可能な端面を有しており、前記第１半導体導波路構造の前記第１幅より大きい第２幅の第２半導体導波路構造と、前記第１半導体導波路構造の前記第１幅及び前記第２半導体導波路構造の前記第２幅より大きい第３幅の第３半導体導波路構造と、前記第３半導体導波路構造に接続された一端及び前記第１半導体導波路構造に接続された他端を有する単一のテーパ導波路と、を備え、前記テーパ導波路の幅は、前記一端から前記他端への方向に徐々に変化し、前記第２半導体導波路構造は、前記第３半導体導波路構造に光学的に結合される。
本発明の別の側面に係る半導体光デバイスは、基板上に設けられたスポットサイズ変換器と、前記スポットサイズ変換器に光学的に結合され、前記基板上に設けられた半導体光素子と、を備える。
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
以上説明したように、本発明の一側面によれば、奇数次の高次モードを低減できるスポットサイズ変換器が提供される。また、本発明の別の側面によれば、このスポットサイズ変換器を含む半導体光デバイスが提供される。
図１は、本実施形態に係る半導体光デバイスを模式的に示す図面である。 図２は、複数のマッハツェンダ−変調器をモノリシックに集積する半導体光素子の一例を模式的に示す平面図である。 図３は、マッハツェンダ−変調器ＭＺ１、ＭＺ２、ＭＺ３、ＭＺ４の各々の導波路の配置を示す図面である。 図４は、素子端面から延在するテーパ導波路ＴＰＷＧと、このテーパ導波路ＴＰＷＧに接続された単一のシングルモード導波路ＳＧＷＧと、このシングルモード導波路ＳＧＷＧに接続された１×２多モード干渉器Ｍ１２ＭＩと含む半導体素子を模式的に示す図面である。 図５は、第１及び第２出力ポートにおける規格化強度を１５２０ｎｍから１５８０ｎｍの波長範囲において示す図面である。 図６は、図１におけるＶＩａ−ＶＩａ線、ＶＩｂ−ＶＩｂ線、ＶＩｃ−ＶＩｃ線、ＶＩｄ−ＶＩｄ線、ＶＩｅ−ＶＩｅ線、及びＶＩｆ−ＶＩｆ線に沿ってとられた断面を示す図面である。 図７は、第３半導体導波路構造における基本モード及び高次モードの振る舞いを示す図面である。 図８は、スポットサイズ変換器の一実施例を示す図面である。
引き続き、いくつかの具体例を説明する。
具体例に係るスポットサイズ変換器は、（ａ）シングルモードの導波を可能にする第１幅を有する第１半導体導波路構造と、（ｂ）外部光導波路に光学的に結合可能な端面を有しており、前記第１半導体導波路構造の前記第１幅より大きい第２幅の第２半導体導波路構造と、（ｃ）前記第１半導体導波路構造の前記第１幅及び前記第２半導体導波路構造の前記第２幅より大きい第３幅の第３半導体導波路構造と、（ｄ）前記第３半導体導波路構造に接続された一端及び前記第１半導体導波路構造に接続された他端を有する単一のテーパ導波路と、を備え、前記テーパ導波路の幅は、前記一端から前記他端への方向に徐々に変化し、前記第２半導体導波路構造は、前記第３半導体導波路構造に光学的に結合される。
スポットサイズ変換器よれば、第２半導体導波路構造は、第１半導体導波路構造の第１幅より大きい第２幅を有し、また光学的に結合される外部光導波路からの入射ビームを受ける。この入射ビームは、第２半導体導波路構造によって導波モードに変換されて、第２半導体導波路構造を伝搬する。第２半導体導波路構造が、スポットサイズ変換器に対して軸ズレを起こした外部光導波路から光を受けることがある。軸ズレにより、第２半導体導波路構造は、光ビームの基本モードを提供するだけでなく高次モードを励振する。この光ビームは、第２半導体導波路構造の第２幅より大きい第３幅を有する第３半導体導波路構造に第２半導体導波路構造から入射する。第３半導体導波路構造は、光ビームの奇数次の高次モードを減衰させた濾波済みビームを生成する。濾波済みビームは、テーパ導波路に入射する。このテーパ導波路の幅は、一端から他端への方向に徐々に小さくなる。テーパ導波路は、濾波済みビームのスポットサイズを変換できる。
具体例に係るスポットサイズ変換器では、前記テーパ導波路、前記第２半導体導波路構造、及び前記第３半導体導波路構造は、第１クラッド層、コア層及び第２クラッド層を含む積層体を備える。
スポットサイズ変換器によれば、テーパ導波路、第２半導体導波路構造、及び第３半導体導波路構造は、同一の半導体積層構造を有する。
具体例に係るスポットサイズ変換器では、前記第１半導体導波路構造、前記テーパ導波路、前記第２半導体導波路構造、及び前記第３半導体導波路構造は、シリコン系無機絶縁膜で覆われる。
スポットサイズ変換器によれば、シリコン系無機絶縁膜の屈折率は、スポットサイズ変換器を構成する半導体領域の屈折率より小さい。
具体例に係るスポットサイズ変換器では、前記第２半導体導波路構造の前記第２幅は、１．５マイクロメートル以上である。
スポットサイズ変換器によれば、上記の第２幅の範囲は、外部導波路への好適な光結合を可能にする。
具体例に係る半導体光デバイスは、（ａ）基板上に設けられたスポットサイズ変換器と、（ｂ）前記スポットサイズ変換器に光学的に結合され、前記基板上に設けられた半導体光素子と、を備える。
半導体光デバイスによれば、半導体光素子は、奇数次の高次モードを低減可能なスポットサイズ変換器からの光ビームを受けることができる。
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のスポットサイズ変換器、及び半導体光デバイスに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
図１は、本実施形態に係る半導体光デバイスを模式的に示す図面である。半導体光デバイス１１は、スポットサイズ変換器１３及び半導体光素子１５を含み、半導体光素子１５は、スポットサイズ変換器１３に光学的に結合される。この半導体光デバイス１１によれば、半導体光素子１５は、奇数次の高次モードを低減可能なスポットサイズ変換器１３からの光ビームＢ１Ｍを受けることができる。
スポットサイズ変換器１３は、第１半導体導波路構造２１と、第２半導体導波路構造２３と、第３半導体導波路構造２５と、テーパ導波路２７とを備える。第１半導体導波路構造２１は、シングルモード導波を可能にする第１幅Ｗ２１を有する。第２半導体導波路構造２３は、第１半導体導波路構造２１の第１幅Ｗ２１より大きい第２幅Ｗ２３を有する。第３半導体導波路構造２５は、第１半導体導波路構造２１の第１幅Ｗ２１及び第２半導体導波路構造２３の第２幅Ｗ２３より大きい第３幅Ｗ２５を有する。テーパ導波路２７は、一端２７ａ及び他端２７ｂを有する。テーパ導波路２７の第４幅Ｗ２７は、一端２７ａから他端２７ｂへの方向に徐々に小さくなる。一端２７ａは、第３半導体導波路構造２５に光学的に結合され、他端２７ｂは、第１半導体導波路構造２１に光学的に結合される。第２半導体導波路構造２３、第３半導体導波路構造２５、及びテーパ導波路２７は、第１軸Ａｘ１の方向に沿って配列されている。第３半導体導波路構造２５は、テーパ導波路２７と第２半導体導波路構造２３との間に設けられる。第２半導体導波路構造２３は、第３半導体導波路構造２５に光学的に結合される。図１を参照すると、第３半導体導波路構造２５は、単一のテーパ導波路２７に接続される。テーパ導波路２７は、第２半導体導波路構造２３に対して位置決めされて、第２半導体導波路構造２３からの光を第３半導体導波路構造２５を介して受ける。
第２半導体導波路構造２３は、外部光導波路２９に光学的に結合可能な端面２３ａを有する。第１半導体導波路構造２１は、半導体光素子１５に光学的に結合される。半導体光素子１５は、例えば、多モード干渉器、マッハツェンダ変調器、Ｙ字分岐、方向性結合器を含むことができる。
スポットサイズ変換器１３よれば、第２半導体導波路構造２３は、第１半導体導波路構造２１の第１幅Ｗ２１より大きい第２幅Ｗ２３を有し、また光学的に結合される外部光導波路２９からの入射ビームＢ０Ｍを受ける。この入射ビームＢ０Ｍは、第２半導体導波路構造２３によって導波モードに変換されて、第２半導体導波路構造２３を伝搬する。第２半導体導波路構造２３を伝搬する光ビームＢ２Ｍは、基本モードだけでなく高次モードも含む。この光ビームＢ２Ｍは、第２半導体導波路構造２３の第２幅Ｗ２３より大きい第３幅Ｗ２５を有する第３半導体導波路構造２５に第２半導体導波路構造２３から入射する。第３半導体導波路構造２５は、光ビームＢ２Ｍの奇数次の高次モードを減衰させた濾波済みビームＢ３Ｍを生成する。濾波済みビームＢ３Ｍは、テーパ導波路２７に入射して、テーパ導波路２７は、濾波済みビームＢ３Ｍのスポットサイズを変換して、伝搬ビームＢ４Ｍを生成する。
本実施例では、一端２７ａは、第３半導体導波路構造２５に接続され、他端２７ｂは、第１半導体導波路構造２１に接続される。第２半導体導波路構造２３は第３半導体導波路構造２５に接続される。第２半導体導波路構造２３の端面２３ａから入射した光ビームは、第１軸Ａｘ１の方向に伝搬して、テーパ導波路２７に到達すると共に、テーパ導波路２７を介して第１半導体導波路構造２１に入射する。
本実施例では、第３半導体導波路構造２５の第３長Ｌ３は、テーパ導波路２７の第４長Ｌ４より大きい。
第１長Ｌ１：例えば２００マイクロメートル以上。
第２長Ｌ２：２マイクロメートル以上、好ましくは２０マイクロメートル以上。
第３長Ｌ３：例えば１９３マイクロメートル。
第４長Ｌ４：例えば９０マイクロメートル。
第１半導体導波路構造２１は、実質的に一定の幅を有することが良い。第２半導体導波路構造２３は、実質的に一定の幅を有することが良い。第３半導体導波路構造２５は、実質的に一定の幅を有することが良い。
第１幅Ｗ２１：例えば１．２５マイクロメートル。
第２幅Ｗ２３：例えば３．５マイクロメートル、１．５〜１５マイクロメートル。
第３幅Ｗ２５：例えば９．６マイクロメートル、２〜２０マイクロメートル。
第４幅Ｗ２７：第２幅Ｗ２３から第１幅Ｗ２１まで徐々に変化、具体的には、３．５マイクロメートルから１．２５マイクロメートルまで変化させる。
外部光導波路２９：例えば、シングルモード光ファイバ。
第２半導体導波路構造２３の幅及び厚さを実質的に同じにしている。また、第３半導体導波路構造２５の幅及び厚さを実質的に同じにしている。第２半導体導波路構造２３及び第３半導体導波路構造２５は、スポットサイズの実質的な変換を行わない。本実施例では、一端２７ａにおけるテーパ導波路２７の幅は、第２半導体導波路構造２３の第２幅Ｗ２３に、実質的に等しく設定されることが良い。第３半導体導波路構造２５によって濾波されずに残った高次モード及び基本モードは、第２半導体導波路構造２３における導波モードを保った状態で、第３半導体導波路構造２５からテーパ導波路２７に入射する。第３半導体導波路構造２５の第３幅Ｗ２５及び第３長Ｌ３は、所望の高次モード除去を可能にするように設定される。外部導波路への好適な光結合を可能にするために、第２半導体導波路構造２３の第２幅Ｗ２３は、１．５マイクロメートル以上であることが良い。テーパ導波路２７の一端２７ａは、第３半導体導波路構造２５に対して第２半導体導波路構造２３の第２幅Ｗ２３を基準にして位置決めされている。テーパ導波路２７の一端２７ａにおける一側面及び他側面の位置は、それぞれ、第２半導体導波路構造２３の一側面及び他側面の位置に整列されている。
図１を参照すると、半導体光素子１５は、多モード干渉器３１（ＭＭＩ）を含むことができる。多モード干渉器３１は、例えば、図１に示されるように１×２ＭＭＩである。多モード干渉器３１は、第１ポート３１ａ、第２ポート３１ｂ及び第３ポート３１ｃを含む。第１ポート３１ａは、第１半導体導波路構造２１に接続される。第２ポート３１ｂ及び第３ポート３１ｃは、それぞれ、第４半導体導波路構造３３ｂ及び第５半導体導波路構造３３ｃに接続され、第４半導体導波路構造３３ｂ及び第５半導体導波路構造３３ｃは、例えばシングルモード導波路を含むことができる。必要な場合には、第１ポート３１ａ、第２ポート３１ｂ及び第３ポート３１ｃは、破線で示されるそれぞれのテーパ継ぎ部３２ａ、３２ｂ、３２ｃを備えることができる。第１ポート３１ａは、光ビームＢ１Ｍを受ける。多モード干渉器３１は、光ビームＢ１Ｍを分岐して、分岐光ビームを第２ポート３１ｂ及び第３ポート３１ｃに提供する。
図２は、複数のマッハツェンダ−変調器をモノリシックに集積する半導体光素子の一例を模式的に示す平面図である。図２を参照すると、破線ＢＯＸが示されている。本実施例では、スポットサイズ変換器１３及び半導体光素子１５が、破線ＢＯＸで示されるエリアに設けられる。半導体光素子１５は、複数のマッハツェンダ−変調器ＭＺ１、ＭＺ２、ＭＺ３、ＭＺ４を含む。マッハツェンダ−変調器ＭＺ１、ＭＺ２、ＭＺ３、ＭＺ４が、第１分岐導波路Ｗ１ＤＶ、第２分岐導波路Ｗ２ＤＶ及び第３分岐導波路Ｗ３ＤＶを介して入力導波路ＷＧＩＮに光学的に結合される。入力導波路ＷＧＩＮは入力ポートＬＰ０に結合されている。
複数のマッハツェンダ−変調器ＭＺ１、ＭＺ２、ＭＺ３、ＭＺ４は、複数の多モード干渉器を介して入力ポートＬＰ０からの光を受ける。マッハツェンダ−変調器ＭＺ１、ＭＺ２が、第４分岐導波路Ｗ４ＤＶを介して第１出力導波路Ｗ１ＧＴに光学的に結合され、また、マッハツェンダ−変調器ＭＺ３、ＭＺ４が、第５分岐導波路Ｗ５ＤＶを介して第２出力導波路Ｗ２ＧＴに光学的に結合される。第１出力導波路Ｗ１ＧＴ及び第２出力導波路Ｗ２ＧＴは、それぞれ、第１出力ポートＬＰ１及び第２出力ポートＬＰ２に結合されている。第１出力ポートＬＰ１及び第２出力ポートＬＰ２は、ぞれぞれの光出力を提供する。
図２に示されるように、第１伝送線ＥＷ１、第２伝送線ＥＷ２、第３伝送線ＥＷ３、及び第４伝送線ＥＷ４は、パッド電極（ＰＳ１〜ＰＳ４）からの個々の変調信号を受けるために、それぞれ、マッハツェンダ−変調器ＭＺ１、ＭＺ２、ＭＺ３、ＭＺ４の第１変調電極ＥＤ１Ｍ及び第１位相調整電極ＥＤ１Ｐに接続される。第１終端線ＴＷ１、第２終端線ＴＷ２、第３終端線ＴＷ３、及び第４終端線ＴＷ４は、個々の終端のためにパッド電極（ＰＴ１〜ＰＴ４）に接続され、それぞれ、マッハツェンダ−変調器ＭＺ１、ＭＺ２、ＭＺ３、ＭＺ４の第１変調電極ＥＤ１Ｍに接続される。第１位相調整電極ＥＤ１Ｐ及び外側位相調整電極ＥＤ１ＰＭは、パッド電極（ＰＰ１、ＰＰ２）に接続される。第１伝送線ＥＷ１、第２伝送線ＥＷ２、第３伝送線ＥＷ３、及び第４伝送線ＥＷ４、並びに第１終端線ＴＷ１、第２終端線ＴＷ２、第３終端線ＴＷ３、及び第４終端線ＴＷ４の一部又は全部は、光導波路を横切る。
図３を参照すると、マッハツェンダ−変調器ＭＺ１、ＭＺ２、ＭＺ３、ＭＺ４の各々は、入力側分岐導波路Ｍ１ＤＶ、第１アーム導波路Ｗ１ＡＲＭ、第２アーム導波路Ｗ２ＡＲＭ、及び出力側分岐導波路Ｍ２ＤＶを含む。マッハツェンダ−変調器ＭＺ１、ＭＺ２、ＭＺ３、ＭＺ４の各々において、第１変調電極ＥＤ１Ｍ及び第１位相調整電極ＥＤ１Ｐが第１アーム導波路Ｗ１ＡＲＭ上に設けられ、第２変調電極ＥＤ２Ｍ及び第２位相調整電極ＥＤ２Ｐが第２アーム導波路Ｗ２ＡＲＭ上に設けられる。マッハツェンダ−変調器ＭＺ２の出力は、第１（π／２）位相シフタＰ１ＳＨを介してマッハツェンダ−変調器ＭＺ１の出力と合波される。マッハツェンダ−変調器ＭＺ４の出力は、第２（π／２）位相シフタＰ２ＳＨを介してマッハツェンダ−変調器ＭＺ３の出力と合波される。外側位相調整電極ＥＤ１ＰＭ、ＥＤ２ＰＭ、ＥＤ３ＰＭ、ＥＤ４ＰＭは、ぞれぞれ、マッハツェンダ−変調器ＭＺ１、ＭＺ２、ＭＺ３、ＭＺ４の出力導波路上に設けられる。マッハツェンダ−変調器ＭＺ１、ＭＺ２からの変調光は、それぞれ、外側位相調整電極ＥＤ１ＰＭ、ＥＤ２ＰＭによる位相調整を受けた後に合波されて、合波光が第１出力導波路Ｗ１ＧＴを伝搬する。また、マッハツェンダ−変調器ＭＺ３、ＭＺ４からの変調光は、それぞれ、外側位相調整電極ＥＤ３ＰＭ、ＥＤ４ＰＭによる位相調整を受けた後に合波されて、合波光が第２出力導波路Ｗ２ＧＴを伝搬する。このように、マッハツェンダ−変調器ＭＺ１、ＭＺ２、ＭＺ３、ＭＺ４の各々は、１×２ＭＭＩを含む。
図４の（ａ）部及び（ｂ）部は、素子端面から延在するテーパ導波路ＴＰＷＧと、このテーパ導波路ＴＰＷＧに接続された単一のシングルモード導波路ＳＧＷＧと、このシングルモード導波路ＳＧＷＧに接続された１×２多モード干渉器Ｍ１２ＭＩと含む半導体素子を模式的に示す図面である。
図４の（ａ）部を参照すると、光ビームＢ１Ｍ（波長λ１）がテーパ導波路ＴＰＷＧに入射する。テーパ導波路ＴＰＷＧは、光ビームＢ１Ｍのスポットサイズを変換して、導波モードを生成する。光ビームＢ１Ｍが、例えばテーパ導波路ＴＰＷＧの中心軸に対して軸ずれしているとき、テーパ導波路ＴＰＷＧは、光ビームＢ１Ｍから基本モードだけでなく高次モードを生成する。図４の（ａ）部を参照すると、テーパ導波路ＴＰＷＧの付近には、テーパ導波路ＴＰＷＧの導波モード中の、例えば基本モード及び１次モードの電界分布が示されており、更なる高次モードが省略される。基本モードの電界分布は、テーパ導波路ＴＰＷＧの中心軸にピークを有する対称形であり、１次モードの電界分布は、テーパ導波路ＴＰＷＧの中心軸の両側に極値を有する反対称形を有する。
図４の（ｂ）部を参照すると、光ビームＢ１Ｍ（波長λ２）がテーパ導波路ＴＰＷＧに入射する。テーパ導波路ＴＰＷＧは、光ビームＢ１Ｍのスポットサイズを変換して、導波モードを生成する。光ビームＢ２Ｍが、テーパ導波路ＴＰＷＧの中心軸に対して軸ずれしているとき、テーパ導波路ＴＰＷＧは、光ビームＢ１Ｍから基本モードだけでなく高次モードを生成する。図４の（ｂ）部を参照すると、テーパ導波路ＴＰＷＧの付近には、テーパ導波路ＴＰＷＧの導波モード中の、例えば基本モード及び１次モードの電界分布が示されており、更なる高次モードが省略される。基本モードの電界分布は、テーパ導波路ＴＰＷＧの中心軸にピークを有する対称形であり、１次モードの電界分布は、テーパ導波路ＴＰＷＧの中心軸の両側に極値を有する反対称形を有する。
基本モード及び高次モードを含む導波光ビームは、シングルモード導波路ＳＧＷＧを伝搬して、１×２多モード干渉器Ｍ１２ＭＩの入力ポートに到達する。１×２多モード干渉器Ｍ１２ＭＩは、入力ポートに受けた光を第１出力ポート及び第２出力ポートに分岐する。
図４の（ａ）部における１×２多モード干渉器Ｍ１２ＭＩの入力ポートでは、波長λ１の導波光ビームの基本モードと１次モードとの位相差△ＴＨＥＴＡが、＋π／２である。導波光ビームの基本モードは、第１出力ポート（Ｘ側）及び第２出力ポート（Ｙ側）に均等の強度で分岐される。導波光ビームの１次モードの分岐強度は、入力ポートから離れてある位置、具体的には第１出力ポート（Ｘ側）及び第２出力ポート（Ｙ側）の位置において、反対称形を有する。基本モード及び１次モードは、第１出力ポート（Ｘ側）及び第２出力ポート（Ｙ側）において合成される。第１及び第２出力ポートにおける合成光ビームは、それぞれ第１及び第２合成強度を有する。第１合成強度（Ｐｘ）が第２合成強度（Ｐｙ）より大きい。
一方、図４の（ｂ）部における１×２多モード干渉器Ｍ１２ＭＩの入力ポートでは、波長λ２の導波光ビームの基本モードと１次モードとの位相差△ＴＨＥＴＡが、−π／２である。導波光ビームの基本モードは、第１出力ポート（Ｘ側）及び第２出力ポート（Ｙ側）に均等の強度で分岐される。導波光ビームの１次モードの分岐強度は、入力ポートから離れてある位置、具体的には第１出力ポート（Ｘ側）及び第２出力ポート（Ｙ側）の位置において、反対称形を有する。基本モード及び１次モードは、第１出力ポート（Ｘ側）及び第２出力ポート（Ｙ側）において合成される。第１及び第２出力ポートにおける合成光ビームは、それぞれ第１及び第２合成強度を有する。第２合成強度（Ｐｙ）が第１合成強度（Ｐｘ）より大きい。
図５の（ａ）部及び（ｂ）部は、それぞれ、第１及び第２出力ポートにおける規格化強度を１５２０ｎｍから１５８０ｎｍの波長範囲において示す。図５の（ａ）部及び（ｂ）部の各々は、３種の調芯（調芯ずれ０μｍ、＋１μｍ、−１μｍ）における規格化強度を示し、図５の（ｃ）部は、第１及び第２出力ポートにおける規格化強度の差を３種の調芯（調芯ずれ０μｍ、＋１μｍ、−１μｍ）において示す。図５の（ｃ）部に示されるように、規格化強度の差は、１５２０ｎｍから１５８０ｎｍの波長範囲において周期的に変化する。
本実施の形態に係るスポットサイズ変換器１３は、奇数次の高次モードを低減できるので、奇数次の高次モードの残留に起因する分岐比における不均衡の発生を低減できる。具体的には、スポットサイズ変換器１３によれば、１×２多モード干渉器における規格化強度の差を低減できる。
図６の（ａ）部、（ｂ）部、（ｃ）部、（ｄ）部、（ｅ）部及び（ｆ）部は、それぞれ、図１におけるＶＩａ−ＶＩａ線、ＶＩｂ−ＶＩｂ線、ＶＩｃ−ＶＩｃ線、ＶＩｄ−ＶＩｄ線、ＶＩｅ−ＶＩｅ線、及びＶＩｆ−ＶＩｆ線に沿ってとられた断面を示す図面である。
図６の（ａ）部、（ｂ）部、（ｃ）部及び（ｄ）部を参照すると、第２半導体導波路構造２３、第３半導体導波路構造２５、テーパ導波路２７及び第１半導体導波路構造２１の各々は、第１クラッド層４１ａ、コア層４１ｂ及び第２クラッド層４１ｃを含む積層体４１を備える。第１クラッド層４１ａ、コア層４１ｂ及び第２クラッド層４１ｃは、半導体基板４３の主面４３ａ上に設けられており、また半導体基板４３の主面４３ａの法線方向に順に配列されている。必要な場合には、積層体４１は、第２クラッド層４１ｃ上に設けられたコンタクト層を含むことができる。第２半導体導波路構造２３、第３半導体導波路構造２５、テーパ導波路１７及び第１半導体導波路構造２１が共通の積層体４１を含み、第１半導体導波路構造２１、第２半導体導波路構造２３、第３半導体導波路構造２５、及びテーパ導波路２７は、実質的に同じ厚さを有する。このスポットサイズ変換器１３によれば、テーパ導波路２７、第２半導体導波路構造２３、及び第３半導体導波路構造２５が同一の半導体積層構造を有して、縦方向において同一の屈折率プロファイルを提供する。
本実施の形態では、図６の（ｄ）部、（ｅ）部及び（ｆ）部を参照すると、第１半導体導波路構造２１、多モード干渉器３１、及び第４半導体導波路構造３３ｂ（第５半導体導波路構造３３ｃ）の各々は、積層体４１を備える。第１半導体導波路構造２１、多モード干渉器３１、及び第４半導体導波路構造３３ｂ（第５半導体導波路構造３３ｃ）が共通の積層体４１を含み、実質的に同じ厚さを有する。このスポットサイズ変換器１３によれば、第１半導体導波路構造２１、多モード干渉器３１、及び第４半導体導波路構造３３ｂ（第５半導体導波路構造３３ｃ）が同一の半導体積層構造を有して、縦方向において同一の屈折率プロファイルを提供する。
第１半導体導波路構造２１、第２半導体導波路構造２３、第３半導体導波路構造２５、及びテーパ導波路２７は、シリコン系無機絶縁膜４５で覆われていても良い。このスポットサイズ変換器１３によれば、シリコン系無機絶縁膜４５の屈折率は、スポットサイズ変換器１３を構成する半導体領域の屈折率より小さい。シリコン系無機絶縁膜４５は、例えばシリコン酸化物、シリコン窒化物、及びシリコン酸窒化物を包含する。
第２半導体導波路構造２３は、外部の光導波路からの光を端面２３ａにおいて受ける。この受け入れに際して、外部の光導波路からの光の励起により、基本モード及び高次モードを含む光ビームが生成される。この光ビームは、第２半導体導波路構造２３から第３半導体導波路構造２５に入力する。図７は、第３半導体導波路構造２５における基本モード及び高次モードの振る舞いを示す図面である。図７の（ａ）部は、基本モードから基本モード、１次モード、２次モード及び３次モードへの遷移Ｔ００、Ｔ０１、Ｔ０２、Ｔ０３を示す。図７の（ｂ）部は、１次モードから基本モード、１次モード、２次モード、及び３次モードへの遷移Ｔ１０、Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３を示す。図７の（ｃ）部は、２次モードから基本モード、１次モード、２次モード及び３次モードへの遷移Ｔ２０、Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３を示す。図７の（ｄ）部は、３次モードから基本モード、１次モード及び２次モードへの遷移Ｔ３０、Ｔ３１、Ｔ３２、Ｔ３３を示す。これらの図面において、例えば「０−＞２」は基本モードから２次モードへの遷移したモードを表す。
図７における見積もりは、以下のモデルにおいて行われた。
第２半導体導波路構造２３の第２幅Ｗ２３：３．５マイクロメートル。
第３半導体導波路構造２５の第３幅Ｗ２５：９．６マイクロメートル。
第３半導体導波路構造２５の第３長さＬ２５：１９４マイクロメートル。
第３半導体導波路構造２５の積層構造：ＩｎＰ／ＭＱＷ／ＩｎＰ。
ＭＱＷ：ＡｌＧａＩｎＡｓ井戸／ＡｌＧａＩｎＡｓバリア、厚さ０．５マイクロメートル。
ＩｎＰ層：厚さ１．５マイクロメートル。
第１半導体導波路構造２１の第１幅Ｗ２１及び第２半導体導波路構造２３の第２幅Ｗ２３より大きい第３幅Ｗ２５の第３半導体導波路構造２５は、いずれのモードに対しても１次モードの大きな損失を示し、また３次モードの損失を示す。第３半導体導波路構造２５は、第２半導体導波路構造２３から受けた光ビーム中のいくつかの高次モードを減衰させる。また、発明者の見積もりによれば、２次モード及び３次モードは、第１幅Ｗ２１の第１半導体導波路構造２１の伝搬において導波路の外側に放射される。テーパ導波路２７は、第３半導体導波路構造２５からの光ビームを受ける。入射ビーム中の高次モードの一部を減衰させた後に、スポットサイズを変換する。高次モードを減衰させた後にスポットサイズを変換するこの順序によれば、漏洩モードの発生を抑えられる利点がある。漏洩モードとは、放射損失の無い導波モードと放射損失の大きい放射モードの中間の状態のモードである。この漏洩モードには、多少の放射損失があるものの放射モードに比べるとその放射損失は非常に小さいため、多少の損失を伴いながらも導波路に沿って伝搬してしまう。このため、漏洩モードの光が、素子に到達し、素子の予期せぬ動作を引き起こす場合がある。よって漏洩モードは、抑制されるのが望ましい。もし入射ビームが、図４のようなテーパ導波路のみから成るスポットサイズ変換器に結合されると、素子端面への入射時に生じた高次モードは、テーパ導波路で漏洩モードに変換される。この漏洩モードがスポットサイズ通過後の導波路を伝搬すると、上記の通り素子性能上問題と成り得る。これに対し、本発案のように、高次モードを減衰させた後にテーパ導波路を用いてスポットサイズ変換すれば、テーパ導波路における漏洩モードの発生を避けることができる。
図８は、スポットサイズ変換器１３の一実施例を示す。スポットサイズ変換器１３の実施例は、以下のように、典型的な寸法を示す。
第１幅Ｗ２１：０．５〜２マイクロメートル、例えば１マイクロメートル。
第２幅Ｗ２３：１．５〜１５マイクロメートル、例えば３．５マイクロメートル。
第２長さＬ２３：５〜１００マイクロメートル、例えば４０マイクロメートル。
第３幅Ｗ２５：２〜２０マイクロメートル、例えば９．６マイクロメートル。
第３長さＬ２５：２０〜４００マイクロメートル、例えば１９４マイクロメートル。
テーパ導波路の長Ｌ２７：１０〜２００マイクロメートル、例えば８０マイクロメートル。
実施例に係るスポットサイズ変換器１３の作製は、例えば以下のように行われる。ＩｎＰ基板上に半導体積層を形成する。半導体積層の形成のために、下部クラッド層のためのＩｎＰ層、ＭＱＷコア層のためのＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層／ＡｌＧａＩｎＡｓバリア層からなる多重量子井戸層、及び上部クラッド層のためのＩｎＰ層を有機金属気相成長法で成長する。必要な場合には、半導体積層の形成のために、半導体光素子１５のコンタクト層のためのＩｎＧａＡｓ層を成長することができる。この半導体積層の主面上に、導波路パターンを規定するマスクを形成する。このマスクを用いて半導体積層をエッチングして、半導体メサを形成する。このエッチングの後に、半導体メサの上面及び側面並びにＩｎＰ基板上に、シリコン系無機絶縁膜を成長する。必要な場合には、半導体光素子１５、例えばマッハツェンダ変調器のために必要な電極を形成する工程を追加することができる。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
以上説明したように、本実施形態によれば、奇数次の高次モードを低減できるスポットサイズ変換器が提供され、また、このスポットサイズ変換器を含む半導体光デバイスが提供される。
１１…半導体光デバイス、１３…スポットサイズ変換器、１５…半導体光素子、Ｂ１Ｍ…光ビーム、２１…第１半導体導波路構造、２３…第２半導体導波路構造、２５…第３半導体導波路構造、２７…テーパ導波路。

Claims (5)

  1. スポットサイズ変換器であって、
    シングルモードの導波を可能にする第１幅を有する第１半導体導波路構造と、
    外部光導波路に光学的に結合可能な端面を有しており、前記第１半導体導波路構造の前記第１幅より大きい第２幅の第２半導体導波路構造と、
    前記第１半導体導波路構造の前記第１幅及び前記第２半導体導波路構造の前記第２幅より大きい第３幅の第３半導体導波路構造と、
    前記第３半導体導波路構造に接続された一端及び前記第１半導体導波路構造に接続された他端を有する単一のテーパ導波路と、
    を備え、
    前記テーパ導波路の幅は、前記一端から前記他端への方向に徐々に変化し、
    前記第２半導体導波路構造は、前記第３半導体導波路構造に光学的に結合される、スポットサイズ変換器。
  2. 前記テーパ導波路、前記第２半導体導波路構造、及び前記第３半導体導波路構造は、第１クラッド層、コア層及び第２クラッド層を含む積層体を備える、請求項１に記載されたスポットサイズ変換器。
  3. 前記第１半導体導波路構造、前記テーパ導波路、前記第２半導体導波路構造、及び前記第３半導体導波路構造は、シリコン系無機絶縁膜で覆われる、請求項１又は請求項２に記載されたスポットサイズ変換器。
  4. 前記第２半導体導波路構造の前記第２幅は、１．５マイクロメートル以上である、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載されたスポットサイズ変換器。
  5. 半導体光デバイスであって、
    基板上に設けられ、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたスポットサイズ変換器と、
    前記スポットサイズ変換器に光学的に結合され、前記基板上に設けられた半導体光素子と、
    を備える、半導体光デバイス。
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