JP2018022146A - 光導波路干渉計 - Google Patents

Abstract

【課題】製造誤差に起因する光導波路間の位相差を抑え、所望の出力波長を得る。
【解決手段】第一の光合波部と、第二の光合波部と、第一の光合波部及び第二の光合波部を連結するように構成される１組の光導波路であって、第一の光合波部及び第二の光合波部間を伝播する光が、組内の各光導波路を通過するようにし、１組の光導波路は、第一の長さ及び第一の幅を有する第一の光導波路と、第二の長さ及び第二の幅を有する第二の光導波路とを備え、第二の長さは第一の長さよりも大きく、第二の幅は第一の幅よりも大きい、１組の光導波路とを備える、光導波路干渉計である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路干渉計及び光導波路干渉計の製造方法に関し、より詳細には、位相シフト補償光導波路干渉計及び位相シフト補償光導波路干渉計の製造方法に関する。

光イーサネット（登録商標）規格（例えば、１００Ｇｂ／ｓ、４００Ｇｂ／ｓ）においては、密接にアラインされた複数の波長が用いられている。波長多重化は、４〜８つの電界吸収型変調器集積レーザー（ＥＭＬ）を用いて、平面光波回路（ＰＬＣ）ベースの波長合波器において行われる。しかしながら、ＰＬＣベースの波長合波器の実装プロセスは、ＥＭＬとＰＬＣチップとの間の多くのアクティブアライメントプロセスを含む時間のかかるプロセスが必要であるため、非常にコストが高い。ＰＬＣベースの波長合波器の製造コストを低減するためには、ＩｎＰベースのＰＩＣにおける複数の波長の合波、及びＰＩＣとＰＬＣとの間のカップリング数の低減が効果的な手法であろう。

光信号を合波するか、分波するか、又は他の方法で操作する方法のうちの１つは、波長依存性を有しないパワーカプラを用いることである。そのようなデバイスの例は、マルチモード干渉（ＭＭＩ）デバイスである。しかしながら、そのようなＭＭＩデバイスは損失を有する。例えば、２つ、４つ及び８つの信号が結合されるとき、固有の挿入損失はそれぞれ、３ｄＢ、６ｄＢ及び９ｄＢとなる。

光信号操作のための代替的な方法は、非対称光干渉計、例えば、非対称マッハ−ツェンダー干渉計又はアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）等の波長選択性結合器を用いる。これらのデバイスにおいて、固有損失はなく、導波路損失及び小さな結合／分波損失に起因したいくらかの損失があるにしても、損失量はパワーカプラの固有損失よりもはるかに小さい。

しかしながら、波長選択性のマニピュレーターは、製造プロセスにおける製造誤差によって生じる波長変化の影響を受けやすい。導波路の幅の変化は、有効屈折率の変化につながるか、又は、光波が第二のＭＭＩに入るときの位相の変化につながる。フォトニック集積回路の仕様（specifics）、規模（scale）、及び、精度（precision）に起因して、導波路の幅を精密に制御することは困難である。しかしながら、導波路の寸法に起因して、幅の小さな誤差であっても、相対的に大きな誤差となり得る。例えば、導波路の１．４ミクロンの幅の誤差は、導波路の幅の５％の変化となる可能性があり、これは設計値からの大きな波長シフトを引き起こす。

複数の方法が、製造される複数の導波路を手動で調整することによってこの問題に対処する。例えば、非特許文献１に記載されている方法は、導波路を取り囲む異なる屈折率を有する材料を用いて導波路のうちの１つにおける有効屈折率を変更し、トリミングを用いてマッハ−ツェンダー干渉計の波長を調整する。この方法は、各干渉計の波長特性の測定、及び各デバイスの１つずつのトリミングを必要とし、実装のコスト及び時間が加わる。したがって、製造プロセスの精度に対する干渉計の波長特性の依存を減らす必要がある。

K. Watanabe他、「Trimming of InP-based Mach-Zehnder interferometer by filling side cladding of high-mesa waveguide with resin」、Electronic Letters、2011年、vol.47、No.22、p.1245-1246

いくつかの実施形態は、非対称干渉計が、異なる長さの光導波路を含み、異なる導波路のための幅制御において発生した同一の誤差が、導波路の異なる長さに起因して、波長の位相に対して異なる影響を有するという認識に基づく。詳細には、異なる長さの導波路間では、同一の幅誤差によって、位相シフト差を引き起こす。

いくつかの実施形態は、位相シフト差が、導波路の長さの関数であるのみでなく、導波路の幅の関数でもあるという認識に基づいている。例えば、光導波路の有効屈折率は、その幅の変化に対し影響を受けやすい。さらに、この感度は、幅の関数となる。詳細には、導波路が広いほど、導波路の幅変化に対する有効屈折率の感度が徐々に下がる。そのために、いくつかの実施形態は、導波路の幅の均一な変更により、位相シフト差の生成を回避するか又は少なくとも最小限にするように、導波路の異なる長さ及び幅の組み合わせを選択する。

したがって、１つの実施形態は、第一の光合波部と、第二の光合波部と、第一の光合波部及び第二の光合波部を連結する１組の光導波路であって、第一の光合波部及び第二の光合波部間を伝播する光が、組内の各光導波路を通過するようにする、１組の光導波路とを備える、光導波路干渉計を開示する。１組の光導波路は、第一の長さ及び第一の幅を有する第一の光導波路と、第二の長さ及び第二の幅を有する第二の光導波路とを備え、第二の長さは第一の長さよりも大きく、第二の幅は第一の幅よりも大きい。

別の実施形態は、光導波路干渉計を製造する方法を開示する。本方法は、多層成長リン化インジウム（ＩｎＰ）基板を設けることであって、この多層成長基板は、第一の予め設定された厚みを有する第一のＩｎＰ層と、予め設定されたコア厚みを有するヒ化リン化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓＰ）層と、０．３μｍ〜２．５μｍの第二の予め設定された厚みを有する第二のＩｎＰ層とを含むことと、キャッピング層上にフォトレジストマスクを形成することであって、このマスクは、第一の長さ及び第二の長さ、並びに第一の幅及び第二の幅を有するように設計され、第二の長さは第一の長さよりも大きく、第二の幅は第一の幅よりも大きいことと、エッチングプロセスを行って、ＩｎＧａＡｓＰ層の底部から予め設定された深さｄを有する予め設定された溝を形成することとを含む。

一実施形態の光導波路干渉計の平面図である。 異なるコア厚みについて、導波路の有効屈折率と導波路の幅との間の関係を示すプロットである。 いくつかの実施形態による、異なる長さ及び異なる幅を含む光導波路干渉計の寸法を決定する方法のブロック図である。 いくつかの実施形態による、異なる幅を有する光導波路の断面図の第一の例である。 いくつかの実施形態による、異なる幅を有する光導波路の断面図の第二の例である。 いくつかの実施形態による、異なる幅を有する光導波路の断面図の第三の例である。 シリコン及び二酸化シリコンから形成された導波路の例を示す。 いくつかの実施形態による、テーパー部及び連結されていない導波路を有する光結合部を含む光導波路干渉計の例である。 いくつかの実施形態による、導波されていない導波路を有する光結合部を含む光導波路干渉計の例である。 いくつかの実施形態による、テーパー部を有する導波路を有する第一の光合波部を含む光導波路干渉計の例である。 いくつかの実施形態による、異なる幅を有する光導波路干渉計の製造プロセスのステップのうちの１つの例である。 いくつかの実施形態による、異なる幅を有する光導波路干渉計の製造プロセスのステップのうちの別の１つの例である。 いくつかの実施形態による、異なる幅を有する光導波路干渉計の製造プロセスのステップのうちの更なる１つの例である。 いくつかの実施形態による、光導波路干渉計を製造するプロセスステップを説明するフローチャートである。 いくつかの実施形態による、異なる幅及び長さを有する３つ以上の導波路を含む光導波路干渉計の例である。 いくつかの実施形態による、異なる幅及び長さを有する３つ以上の導波路を含む光導波路干渉計の例である。 いくつかの実施形態による、異なる幅及び長さを有する３つ以上の導波路を含む光導波路干渉計の例である。

以下、本発明の様々な実施形態について、図面を参照して説明する。図面は、縮尺どおり描かれておらず、類似する構造又は機能の各要素については、各図面全体にわたって、同様の参照符号によって表されていることに留意されたい。図面は、単に、本発明の特定の実施形態の説明を容易にすることを意図していることにも留意されたい。図面は、本発明の網羅的な説明として意図されるものでもなければ、本発明の範囲を限定するものとして意図されるものでもない。加えて、本発明の特定の実施形態と併せて説明される態様は、必ずしもその実施形態に限定されず、本発明の任意の他の実施形態において実施することができる。

図１は、１つの実施形態による光導波路干渉計１００の平面図を示す。光導波路干渉計１００は、第一の光合波部１１０及び第二の光合波部１２０を含む。光合波部の例には、分岐部、結合部、及び分波部が含まれる。例えば、第一の光合波部は、光を分岐部１１０内に受信するための少なくとも１つの分岐入力ポート１５０及び／又は１６０と、光を分岐部から出力するための少なくとも２つの分岐出力ポートとを含む分岐部とすることができ、第二の光合波部１２０は、光を結合部に受信するための少なくとも２つの結合入力ポートと、光を結合部から出力するための少なくとも１つの結合出力ポートとを含む光結合部とすることができる。

光導波路干渉計１００は、第一の光合波部１１０及び第二の光合波部１２０を連結する１組の導波路も備え、第一の光合波部１１０と第二の光合波部１２０との間を伝播する光が組内の各光導波路を通過するようにする。この例において、１組の導波路は、２つの導波路、すなわち、第一の光導波路１３０及び第二の光導波路１４０を含むが、他の実施形態は異なる個数の導波路を含む。第一の光導波路１３０は第一の長さ及び第一の幅を有する。第二の光導波路１４０は第二の長さ及び第二の幅を有し、第二の長さが第一の長さよりも大きく、かつ第二の幅が第一の幅よりも大きくなるように選択される。

いくつかの実施形態では、光導波路１５０及び１６０は、第一の光合波部１１０内に光を受信するために第一の光合波部１１０の入力部分に連結される。それぞれ、導波路１３０及び１４０のうちの一方の側は分岐部１１０の出力部分に連結され、導波路１３０及び１４０の別の側は第二の光合波部１２０の入力部分に連結される。第二の光合波部１２０の出力部分は、光出力導波路１７０及び１８０に連結される。光出力導波路１７０及び１８０は、複数の光ファイバー又は複数の光導波路に連結してもよい。異なる波長λ_１及びλ_２を有する複数の光信号は、それぞれ、光入力導波路１５０及び１６０を伝播し、光入力導波路１５０及び１６０を介して分岐部１１０の入力部に入力される。分岐部１１０、導波路１３０及び１４０、および、第二の光合波部１２０を通過した後、光信号が第二の光合波部１２０の出力部分から光出力導波路１７０及び１８０に対して出力される。本発明の実施形態においては、２×２の光入力／出力導波路の回路構成及び２つの相互連結導波路構成が例として示されているが、光入力／出力導波路の個数及び導波路の個数は、光回路設計に従って、変更してもよい。上記で説明した入力部分及び出力部分は、それぞれ、入力ポート及び出力ポートと呼ぶことができる。

本発明のいくつかの実施形態は、導波路の有効屈折率が、導波路の幅に応じて変化するという、認識及び理解に基づいている。これは、製造プロセスの製造誤差により、導波路の幅がΔｗだけ設計値から外れてしまった場合、有効屈折率もΔｎ_ｅｆｆだけ変動することを示す。換言すれば、導波路の有効屈折率は、導波路長にわたる導波路幅の変動の平均に関する関数である。

図２Ａは、導波路の異なるコア厚みにおける、有効屈折率と、導波路の幅との間の関係を示している。各コア厚みにおいて、導波路の有効屈折率は、導波路の幅と共に増大する。コア厚みが一定の場合、図２Ａに示すように、グラフの傾斜量は、導波路の幅が大きくなるにつれて、大から小に変化、すなわち徐々になだらかになっていくように変化する。これは、導波路が広いほど、導波路の幅における有効屈折率の変化量が小さくなることを示す。換言すれば、有効屈折率に関して、より広い導波路は、より狭い導波路と比較して、製造プロセスの製造誤差に対して、より影響を受けにくい。例えば、異なる幅Ｗ_１及びＷ_２の導波路において、同じ変化量（製造誤差）Δｗがあったとすると、当該製造誤差に起因する有効屈折率の変化量は、それぞれ、異なる変化量Δｎ_{ｅｆｆ−１}及びΔｎ_{ｅｆｆ−２}となる。

製造における製造誤差の結果として、有効屈折率が、予め設計された（predesigned）設計値から逸脱した場合、導波路の出力側における屈折率の逸脱に基づいて、導波路を伝播する光波（光信号）の位相がずれる。この場合、２つの光信号が２つの導波路を伝播しているとき、２つの光信号間の相対位相差は、導波路の出力側において引き起こされる。２つの光信号間の相対位相差Δφは、下式（１）のように示すことができる。

ここで、Ｌ_１は第一の導波路の長さであり、Ｌ_２は第二の導波路の長さであり、Δｎ_{ｅｆｆ−１}は、第一の導波路の予め設計された有効屈折率ｎ_{ｅｆｆ−１}から逸脱した有効屈折率の変動値であり、Δｎ_{ｅｆｆ−２}は、第二の導波路の予め設計された有効屈折率ｎ_{ｅｆｆ−２}から逸脱した有効屈折率の変動値である。式（１）においてゼロである相対位相差Δφを取得することによって、相対位相差補償条件は、下式（２）のように示すことができる。

換言すれば、導波路が式（２）の関係を満たすとき、第一の導波路及び第二の導波路間で生じる相対位相差はゼロになるように補償することができる。式（２）を満たすために、Ｌ_２がＬ_１よりも大きいとき（Ｌ_２＞Ｌ_１）、Δｎ_{ｅｆｆ−１}はΔｎ_{ｅｆｆ−２}よりも大きくすることができる。例えば、導波路の幅の変動Δｗについて、０．４５μｍのコア厚みでの有効屈折率変動Δｎ_{ｅｆｆ−１}及びΔｎ_{ｅｆｆ−２}が、図２において、概略的に、それぞれ異なる幅領域に対応させて示されている。これは、より狭い導波路幅における傾斜（有効屈折率の変化率）Δｎ_{ｅｆｆ−１}／Δｗが、より広い導波路幅における傾斜（有効屈折率の変化率）Δｎ_{ｅｆｆ−２}／Δｗよりも大きいことを示す。これは、より長い導波路を有する、より広い導波路を選択するとき、相対位相差を効果的に低減することができることを示す。

図２Ａにおいて、上記で論考したように、グラフの傾斜量は、導波路の幅の増大と共に、大から小に変化、すなわち、徐々になだらかになっていくように変化するので、Δｎ_{ｅｆｆ−１}は、Ｌ_１に対応するより大きな傾斜を示す領域に適用することができ、Δｎ_{ｅｆｆ−２}は、Ｌ_２に対応するなだらかな傾斜を示す領域に適用することができる。そのために、干渉計１００の導波路は、異なる長さを有するのみでなく、異なる幅も有する。

図１における例として、光干渉計１００は、第一の光合波部１１０と、第二の光合波部１２０と、１組の光導波路１３０及び１４０とを備える。導波路１３０は、長さＬ_１及び幅Ｗ_１を有する第一の導波路とすることができ、導波路１４０は、長さＬ_２及び幅Ｗ_２を有する第二の導波路とすることができる。上述した原理によれば、長さＬ_２は長さＬ_１よりも大きく、幅Ｗ_２は幅Ｗ_１よりも大きい。

例えば、０．４５μｍのコア厚みの場合、それぞれ、Ｌ_１及びＬ_２は３１５．３μｍ及び３６５．３μｍとすることができ、Ｗ_１及びＷ_２は１．４０μｍ及び１．４８μｍとすることができる。

別の実施形態では、幅Ｗ_１及びＷ_２は、それぞれ、１．４０μｍ及び１．４４μｍとなるように選択することができる。この組み合わせは、導波路の幅変動に起因する有効屈折率変動の感度の有効な低減をもたらす。

いくつかの実施形態は、有効屈折率変動の感度において、そのような低減を達成することができるのは、第一の導波路の第一の長さＬ_１と有効屈折率の偏差Δｎ_{ｅｆｆ−１}との積が、第二の導波路の第二の長さＬ_２と有効屈折率の偏差Δｎ_{ｅｆｆ−２}との積に実質的に等しくなるときである、という認識に基づいている。

そのために、いくつかの実施形態は、それに応じて、例えば図２Ａのプロットを用いて、第一の幅及び第二の幅を選択する。本明細書において図２Ａのプロットが用いられる場合、「実質的に等しい」とは、積の差が１０％未満であることを意味する。１つの実施形態では、差は５％未満である。

例えば、１つの実施形態は、光導波路を設計するために、下式（３）の関係を用いる。

図２Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、異なる長さ及び異なる幅を含む光導波路干渉計の寸法を決定する方法のブロック図を示す。波長λを有する光信号及び光導波路干渉計の予め決定された或る材料層の場合、コア厚みｔ_ｃは、０．３５μｍ〜０．６μｍの範囲から選択することができる。また、予め決定された或る光通信システムに従って、予め設定された波長分離Δλが定義される。この例において、コア厚みｔ_ｃは、図２Ａに示される０．４５μｍになるように選択されると仮定する。第一の導波路及び第二の導波路を有する光導波路干渉計に関して、第一の導波路の第一の長さＬ_１及び第一の幅Ｗ_１は、光導波路干渉計の予め設定されたレイアウトに従って決定される。

第二の長さＬ_２（＝Ｌ_１＋ΔＬ）を決定するために、下式（４）の関係に従って導波路長の差ΔＬを決定する。

ここで、ｎ_ｇは、下記で示される。

例えば、λ＝１．３μｍにおける信号波長についてΔλが４．４８ｎｍとなるように設定されるとき、ｎ_ｇは、ｎ_ｅｆｆ＝３．２４３及びｄｎ／ｄλ＝−０．３２４を仮定することによって、予め決定された或るシステムに従って、３．６６４であると決定される。式（４）にｎ_ｇ（＝３．６６４）を代入することによって、ΔＬは５１．５μｍとなる。したがって、この例において、第二の長さＬ_２は、Ｌ_２＝Ｌ_１＋５１．５μｍを計算することによって決定することができる。

Ｌ_２が決定された後、第二の導波路の幅Ｗ_２を、図２Ａを参照することによって式（３）を用いて決定することができる。

例として、第一の幅Ｗ_１及び第二の幅Ｗ_２が図２Ａに示される。

予め設定されたコア厚み及び予め設定された波長について第一の長さＬ_１及び第一の幅Ｗ_１を決定した後、第二の長さＬ_２及び第二の幅Ｗ_２が得られる。設計ステップが図２Ｂに示される。

図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ及び図３Ｄは、図１におけるＡ−Ａ’断面の例を示す光干渉計１００の例示的な断面図を示す。

異なる実施形態において、導波路１３０及び１４０の各々は、リン化インジウム（ＩｎＰ）基板１０（基板１０）、ヒ化リン化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓＰ）層２０（コア層２０）、ＩｎＰクラッディング層３０（クラッディング層３０）、ＩｎＰキャップ層４０（キャップ層４０）から形成される。ＩｎＧａＡｓＰ層２０は、導波路１３０及び１４０の各々のコア層として用いることができる。コア層２０は、概ね０．３μｍ〜０．７μｍの厚みとすることができる。クラッディング層３０は、概ね０．７μｍ〜１．２μｍの厚みとすることができる。キャップ層４０は、概ね０．４μｍ〜０．６μｍの厚みとすることができる。ＩｎＰ基板１０は、厚みｄを有する底部クラッディング層５０を含む。底部クラッディング層５０の厚みｄは、クラッディング層３０の厚みと概ね同一とすることができる。例えば、クラッディング層３０の厚みが０．９μｍである場合、底部クラッディング層５０の厚みは概ね０．９μｍとすることができる。

代替的に、コア層は、概ね０．３μｍ〜０．７μｍの厚みのインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）層とすることができる。

例として、図３Ｂに示すように、ガラス基板６０上にＩｎＰ基板１０を実装することができる。この実施形態において、ＩｎＰ基板の底部は、薄くし、接着プロセスによってガラス基板６０上に堆積することができる。更なる例として、ＩｎＰ基板１０は、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ：Silicon On Insulator）基板７０上に実装することができる。図３Ｃに示されるように、ＳＯＩ基板の上部は、ＩｎＰ基板１０の底部に固着することができる。

図３Ｄは、シリコン及び二酸化シリコン材料から形成された導波路の別の例を示す。導波路１３０及び１４０の断面図が図３Ｄに示される。導波路１３０及び１４０は、従来のシリコンプロセス技法を用いることによってシリコン及び二酸化シリコンから形成される。導波路１３０及び１４０の各々は、二酸化シリコンクラッディング層９０によって取り囲まれたシリコンワイヤー９５から形成される。二酸化シリコンクラッディング層９０が、シリコン基板（基板８０）上に堆積されている。導波路１３０及び１４０は、厚みを概ね０．１５μｍ〜０．３μｍとすることができ、幅を０．２μｍ〜０．６μｍとすることができる。シリコン基板（基板８０）とシリコンワイヤー９５との間の距離、並びに導波路１３０及び１４０上の二酸化シリコンクラッディング層９０の厚みは、いずれも、概ね１．５μｍ〜２．５μｍとすることができる。

図４Ａは、本発明の別の実施形態による光合波部２２０を含む光回路２００を示す。この実施形態では、光合波部２２０は光結合部と呼ぶことができる。光結合部２２０は、少なくとも１つの連結されていない導波路を含む。この実施形態では、導波路２３０及び２４０の出力端は、光結合部２２０の入力部分に連結される。出力導波路２７０は、光結合部２２０の出力部分に連結される。連結されていない導波路２８０及び２９０は、光結合部２２０の他の出力部分に連結するように構成される。

例えば、導波路２３０及び２４０からの或る量の光波（光信号）が出力導波路２７０内に入力されず、光結合部２２０において反射されるときに、光結合部２２０において寄生反射が生じる。連結されていない導波路２８０及び２９０は、それぞれ、連結されていない導波路２８０及び２９０の端部を通じて寄生反射の光波を効果的に解放するように構成される。したがって、連結されていない導波路２８０及び２９０は、光波の反射が最小限となるように終端される。接続されていない導波路２８０及び２９０の入力側の通常の幅は１．５μｍよりも大きくすることができ、連結されていない導波路２８０及び２９０の長さは３０μｍ〜７０μｍとすることができる。

この実施形態では、導波路２４０の幅は、導波路２３０の幅よりも大きくなるように構成することができ、導波路２４０の長さは、導波路２３０の長さよりも大きくなるように構成することができる。導波路２３０及び２４０の各幅は、導波路長にわたって計算された幅の平均値をとることによって定義することができる。導波路２３０及び２４０の入力端（又は信号入力側）は、光分岐部（図示せず）等の別の光合波部の出力部分に連結される。

更なるオプションの場合、導波路２３０及び２４０から出力導波路２７０へ光波を効果的に誘導するために、出力導波路２７０は、光結合部２２０の出力部分において概ね予め設定された幅ｗ_０を有するテーパー形状を含むことができる。テーパー形状は、出力導波路２７０の入力部分を幅広くすることによって、導波路２３０及び２４０から光波を効果的に受けるように構成される。図４Ａに示すように、導波路２３０及び２４０の出力端並びに出力導波路２７０の入力端は、光結合部２２０の入力部分及び出力部分において、互いに、概ね同じ幅ｗ_０を有し、信号入力／出力特性を改善する、例えば、光学損失を低減することが好ましい。したがって、導波路２３０及び２４０は、それらの出力端及び入力端（図示せず）においてテーパー形状部分を含むことができる。出力端において幅ｗ_０（最大幅ｗ_０）を有する導波路２３０及び２４０のテーパー形状部分が図４Ａに示される。幅ｗ_０は、光結合部２２０内の光損失が最小になるように選択される。ＩｎＰベースの導波路の場合、幅ｗ_０は、１．４５μｍ〜３．０μｍになるように選択することができる。導波路２３０及び２４０の入力端は、幅ｗ_０を有するテーパー形状部分を有する出力端の形状と概ね同じ形状を有することができる。幅ｗ_０を有する導波路２４０が、光結合部２２０の入力部分に連結される。

図４Ａは、導波路２３０及び２４０の各々が、幅の狭いセグメント２４５部分を含む別の例を示す。幅の狭いセグメント２４５は、導波路幅ｗ_ｆの部分を構成することによって基本モードのみを可能にするように構成される。幅の狭いセグメント２４５は、全ての高次モードをフィルタリング除去するように構成される。ＩｎＰベースの導波路の場合、幅ｗ_ｆは１．０μｍ〜１．４μｍとすることができる。導波路２３０及び２４０のうちの幅の狭いセグメントの部分が、さらに幅を狭くしたセグメント２４５を含む。幅の狭いセグメント２４５は、少なくとも１μｍよりも長い長さになるように形成することができる。各幅の狭いセグメントは図４Ａに概略的に示される。さらに、光回路２００は、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を提供するように３つ以上の光結合部を含むことができる。

図４Ｂは、導波されていない導波路を有する光結合部を含む光回路の別の例を示す。導波されていない導波路もまた、導波されていない導波路の端部を通じて寄生反射の光波を解放することによって、寄生反射を低減するのに効果的である。各導波されていない導波路は、光結合部に連結された予め設定された角度パターンを有する形状を含む。例えば、導波されていない導波路２８５及び２９５は、結合部２２０の入力側及び出力側に配置される。導波されていない導波路２８５は、入力導波路２３０及び２４０の隣に配置され、導波されていない導波路２９５は、出力導波路２７０の隣に配置される。導波されていない導波路２８５及び２９５は、連結なしで終端することができ、導波路２８５及び２９５の端部からの望ましくない反射信号の解放を可能にする。代替的に、導波されていない導波路２８５及び２９５の端部は、アモルファスシリコン、ポリシリコン、カーボンナノチューブ、酸化物系グラフェン等の光吸収材料を用いて終端することができる。導波されていない導波路２８５及び２９５の予め設定される角度θが、図４Ｂに示される。導波路２８５及び２９５の予め設定される角度θは、１０度＜θ＜９０度の範囲内に構成することができ、長さは２０μｍ〜１００μｍの範囲をとる。

図５は、導波路３３０及び３４０の入力端に連結された分岐部３１０を含む分岐回路（第一の光合波部）３００を示す。導波路３４０の幅は、導波路３３０の幅よりも大きくなるように構成することができ、導波路３４０の長さは、導波路３３０の長さよりも大きくなるように構成することができる。導波路３３０及び３４０の各幅は、その導波路長にわたって計算された幅の平均値によって決定することができる。

例えば、分岐部３１０は、分岐部３１０の入力部分において概ね幅ｗ_０のテーパー形状を有する入力導波路３５０及び３６０に連結することができる。導波路３３０は、分岐部３１０の出力部分に連結された入力端において概ね幅ｗ_０を有するテーパー形状部分を含む。導波路３４０は、概ね幅ｗ_０を有する。したがって、分岐部３１０は、入力導波路３５０及び３６０の出力部分に連結されるとともに、導波路３３０及び３４０の入力部分に連結され、ここで、入力導波路３５０及び３６０の出力部分、並びに、導波路３３０及び３４０の入力部分の各々は、連結部分において概ね同じ幅ｗ_０を有する。図５を参照されたい。幅ｗ_０は、最大テーパー幅と呼ぶことができ、幅ｗ_０は１．４５μｍ〜３．０μｍとすることができる。

図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃは、図３に示す断面構造を有する光導波路干渉計１００の製造プロセスの例を示す。光干渉計１００を製造するプロセスフローもまた、図７に示されている。光導波路干渉計１００の製造プロセスは、以下で図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃ、並びに図７を参照して説明される。

ステップ７１０における導波路層構造の設計に従って、多層成長リン化インジウム（ＩｎＰ）基板が用いられる。多層成長基板は、キャッピング層４０と、第一のリン化インジウム（ＩｎＰ）層３０（上側クラッディング層３０）と、ヒ化リン化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓＰ）層２０（コア層２０）と、ＩｎＰ基板１０の一部である第二のＩｎＰ層５０（下側クラッディング層５０）とを含むことができる。ＩｎＧａＡｓＰ層（コア層）２０は、０．３μｍ〜０．７μｍとすることができ、より好ましくは、０．４５μｍとすることができる。キャッピング層４０は、システム設計に従って、導波路構造から除外することができる。上側クラッディング層３０及び下側クラッディング層５０は、約０．７μｍ〜１．２μｍの厚みとすることができる。

図７のステップ７２０〜７４０において、図６Ａに示すように導波路マスク１３０及び１４０が形成される。ステップ７４０のフォトリソグラフィープロセスにおいて、フォトレジストマスクがキャッピング層上に形成され、マスクは、第一の長さ及び第二の長さ（図１を参照）並びに第一の幅及び第二の幅を有するように設計される。例えば、第一の長さは、３１４μｍ〜３１６μｍで選択することができ、第二の長さは、３６４μｍ〜３６６μｍで選択することができる。第一の幅は、１．３５μｍ〜１．４５μｍで選択することができ、より好ましくは、第一の幅は、１．４μｍになるように選択することができる。第二の幅は１．４６μｍ〜１．５μｍとすることができ、より好ましくは、第二の幅は１．４８μｍとなるように選択することができる。

ステップ７５０において、図６Ｂに示すような導波路１３０及び１４０を有する光導波路干渉計１００の導波路構造を形成するエッチングプロセスが行われる。ステップ７５０のエッチングプロセスにおいて、導波路１３０及び１４０を形成するドライエッチングプロセスを行うことができる。エッチングプロセスにおいて、ＩｎＰ基板１０はまた、下側クラッディング層５０を形成するように下方にエッチングされる。例えば、深さｄは、ＩｎＧａＡｓＰ層（コア層）の底部から、ＩｎＰ基板１０のエッチングされた表面までの距離として定義することができる。深さｄは、０．４μｍ〜０．５μｍとすることができる。代替的に、底部クラッディング層５０の厚みｄは、クラッディング層３０の厚みと概ね同一とすることができる。例えば、上側クラッディング層３０の厚みが０．９μｍであるとき、下側クラッディング層５０は概ね０．９μｍとすることができる。

下側クラッディング層５０の厚みｄが図６Ｂに示される。ステップ７６０においてレジストマスクを除去した後、導波路１３０及び１４０の導波路構造が形成される。次に、ステップ７６０において、レジストマスクを除去するプラズマ灰化プロセスが行われ、導波路製造プロセスが終了する。図７のプロセスフローにおいて、水洗プロセス及び乾燥プロセス等の従来のプロセス処理に関する説明は無視されることに留意されたい。

代替的に、図３Ｂに示すように、ＩｎＰ基板１０の底部を、研磨プロセスによって薄くし、シリコン基板で境界を画すことができ、これによって、光導波路干渉計の熱伝導率が改善する。別の例の場合、図３Ｃに示すように、シリコン基板の代わりに絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）基板を用いてもよい。

図８は、光導波路干渉計８００が、異なる幅及び４つの出力ポートを有する４つの導波路を含む別の実施形態を示す。光干渉計８００内に配置された４つの導波路８３０、８４０、８５０及び８６０が存在する。導波路８３０、８４０、８５０及び８６０は、それぞれ、異なる長さＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３及びＬ_４、及び、異なる幅Ｗ_１、Ｗ_２、Ｗ_３及びＷ_４を有する。図８に示されるように、長さはＬ_１＜Ｌ_２＜Ｌ_３＜Ｌ_４となるように構成され、幅はＷ_１＜Ｗ_２＜Ｗ_３＜Ｗ_４となるように構成される。光信号は、入力導波路８７０を通じて入力される。光信号は、光分岐部８１０を通じて伝播し、導波路８３０、８４０、８５０及び８６０内に分離される。導波路８３０、８４０、８５０及び８６０を通ることによって干渉した後、各干渉信号は、システム設計に従って、光結合部８２０を通じて出力導波路８８０、８８１、８８２及び８８３の各々に出される。この実施形態において、光導波路干渉計８００をアレイ導波路８００と呼ぶことができ、光分岐部を第一の光合波部８１０と呼ぶことができ、光結合部８２０を第二の光合波部８２０と呼ぶことができる。この例において、導波路８３０、８４０、８５０及び８６０の長さの順序がＬ_１＜Ｌ_２＜Ｌ_３＜Ｌ_４となるように構成されるが、システム設計に従って、導波路の長さの別の構成が選択されてもよい。

図９は、光導波路干渉計９００が異なる幅及び出力ポートを有する導波路を備える別の実施形態を示す。光干渉計９００内に配置された４つの導波路９３０、９４０、９５０及び９６０が存在する。導波路９３０、９４０、９５０及び９６０は、それぞれ、異なる長さＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３及びＬ_４、及び、異なる幅Ｗ_１、Ｗ_２、Ｗ_３及びＷ_４を有する。この場合、導波路９３０、９４０、９５０及び９６０の長さＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３及びＬ_４は、Ｌ_２＜Ｌ_１＜Ｌ_３＜Ｌ_４となるように構成され、導波路９３０、９４０、９５０及び９６０の幅は、Ｗ_２＜Ｗ_１＜Ｗ_３＜Ｗ_４となるように構成される。光信号は、入力導波路９７０を通じて入力される。光信号は、光分岐部９１０を通じて伝播し、導波路９３０、９４０、９５０及び９６０内に分離される。導波路９３０、９４０、９５０及び９６０を通ることによって干渉した後、各干渉信号は、システム設計に従って、光結合部９２０を通じて出力導波路９８０、９８１、９８２及び９８３の各々に出される。この実施形態において、光導波路干渉計９００をアレイ導波路９００と呼ぶことができ、光分岐部９１０を第一の光合波部９１０と呼ぶことができ、光結合部９２０を第二の光合波部９２０と呼ぶことができる。この実施形態では、１つの入力導波路９７０が示されているが、システム設計に従って光分岐部９１０に複数の入力導波路を配置してもよい。

図１０は、本発明による光干渉計の別の実施形態を示し、この実施形態において、光干渉計１０００は、異なる幅を有する導波路と、出力ポートとを備える。光干渉計１０００内に配置された４つの導波路１０３０、１０４０、１０５０及び１０６０が存在する。導波路１０３０、１０４０、１０５０及び１０６０は、それぞれ、異なる長さＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３及びＬ_４、及び、異なる幅Ｗ_１、Ｗ_２、Ｗ_３及びＷ_４を有する。この場合、導波路１０３０、１０４０、１０５０及び１０６０の長さＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３及びＬ_４は、Ｌ_２＜Ｌ_１＜Ｌ_３＜Ｌ_４となるように構成され、導波路１０３０、１０４０、１０５０及び１０６０の幅は、Ｗ_２＜Ｗ_１＜Ｗ_３＜Ｗ_４となるように構成される。光信号は入力導波路１０７０を通じて入力される。光信号は、光分岐部１０１０を通じて伝播し、導波路１０３０、１０４０、１０５０及び１０６０内に分離される。導波路１０３０、１０４０、１０５０及び１０６０を通ることによって干渉した後、各干渉信号は、システム設計に従って、光結合部１０２０を通じて出力導波路１０８０、１０８１、１０８２及び１０８３の各々に出される。さらに、光分岐部１０１０及び光結合部１０２０は、予め設定された矩形形状を有し、ここで、光分岐部１０１０及び光結合部１０２０の矩形形状の各々は、光干渉計１０００を伝播する光信号の損失が効果的に低減されるように設計される。この実施形態において、光導波路干渉計１０００を横方向フィルタ１０００と呼ぶことができ、光分岐部１０１０を第一の光合波部１０１０と呼ぶことができ、光結合部１０２０を第二の光合波部１０２０と呼ぶことができる。この実施形態において、１つの入力導波路１０７０が示されているが、システム設計に従って、複数の入力導波路を光分岐部１０１０に配置することができる。さらに、光干渉計１０００は、２つのマルチモード干渉デバイスからなることができる。

いくつかの好ましい実施形態が示され説明されてきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、これらの実施形態に多くの変形及び変更を加えることができることは当業者には明らかであろう。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物によって定義される。

Claims (21)

1. 第一の光合波部と、
   第二の光合波部と、
   前記第一の光合波部及び前記第二の光合波部を接続する１組の光導波路であって、前記第一の光合波部及び前記第二の光合波部間を伝播する光が、前記１組内の各前記光導波路を通過し、前記１組の光導波路は、第一の長さ及び第一の幅を有する第一の光導波路と、第二の長さ及び第二の幅を有する第二の光導波路とを含み、前記第二の長さは前記第一の長さよりも大きく、前記第二の幅は前記第一の幅よりも大きい、１組の光導波路と
   を備える、光導波路干渉計。
2. 前記第一の光合波部は、分岐部であり、
   前記分岐部は、前記光を該分岐部内に受信するための少なくとも１つの分岐入力ポートと、前記光を該分岐部から出力するための少なくとも２つの分岐出力ポートとを含み、
   前記２つの分岐出力ポートは、前記第一の光導波路に接続された第一の分岐出力ポートと、前記第二の光導波路に接続された第二の分岐出力ポートとを有し、
   前記第二の光合波部は、光結合部であり、
   前記光結合部は、前記光を該結合部に受信するための少なくとも２つの結合入力ポートと、前記光を該結合部から出力するための少なくとも１つの結合出力ポートとを含み、
   前記２つの結合入力ポートは、前記第一の光導波路に接続された第一の結合入力ポートと、前記第二の光導波路に接続された第二の結合入力ポートとを有する、
   請求項１に記載の光導波路干渉計。
3. 前記第一の光導波路の有効屈折率は、前記第二の光導波路の有効屈折率よりも大きい、請求項１に記載の光導波路干渉計。
4. 前記導波路のうちの少なくとも１つの幅は不均一であり、前記第一の幅は、前記第一の長さにわたる前記第一の光導波路の幅の平均値であり、前記第二の幅は、前記第二の長さにわたる前記第二の光導波路の幅の平均値である、請求項１に記載の光導波路干渉計。
5. 前記第一の幅及び前記第二の幅は、前記第一の長さと前記第一の導波路の有効屈折率の偏差との積が、前記第二の長さと前記第二の導波路の有効屈折率の偏差との積に実質的に等しくなるように選択される、請求項４に記載の光導波路干渉計。
6. 前記第一の長さはＬ_１であり、前記第二の長さはＬ_２であり、第一の偏差はΔｎ_１であり、第二の偏差はΔｎ_２であり、前記第一の幅及び前記第二の幅は、前記Ｌ_１及び前記Δｎ_１の積と、前記Ｌ_２及び前記Δｎ_２の積との差が１０％未満になるように決定される、請求項５に記載の光導波路干渉計。
7. 前記第一の幅及び前記第二の幅は、Ｌ_１・Δｎ_１＝α・Ｌ_２・Δｎ_２となるように決定され、０．９≦α≦１．１である、請求項５に記載の光導波路干渉計。
8. 前記光干渉計は、非対称マッハ−ツェンダー干渉計である、請求項１に記載の光導波路干渉計。
9. 前記光干渉計は、アレイ導波路回折格子である、請求項１に記載の光導波路干渉計。
10. 前記光干渉計は、２つのマルチモード干渉デバイスと、３つ以上の相互に連結した導波路とからなる、請求項１に記載の光導波路干渉計。
11. 前記１組の光導波路は３つ以上の導波路を含み、前記１組内の全ての導波路は、別の導波路よりも長い光導波路の各々は、該別の導波路よりも広くなるように選択された、異なる長さ及び異なる幅を有する、請求項１に記載の光導波路干渉計。
12. 各前記光導波路は、略同一の最大幅のテーパー入力部分及びテーパー出力部分を有する、請求項１に記載の光導波路干渉計。
13. 前記第一の光合波部及び前記第二の光合波部の入力部分及び出力部分は、前記導波路の前記テーパー入力部分及び前記テーパー出力部分が、前記１組の光導波路の前記テーパー入力部分及び前記テーパー出力部分に接続されるように構成される、請求項１２に記載の光導波路干渉計。
14. 前記第一の光合波部及び前記第二の光合波部のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの連結されていない導波路を有する、請求項１に記載の光導波路干渉計。
15. 前記第一の光合波部及び前記第二の光合波部のうちの少なくとも１つは、各出力部分において、少なくとも１つの非導波部を有する、請求項１に記載の光導波路干渉計。
16. 前記光導波路の各々は、別のセグメントよりも狭い少なくとも１つのセグメントを含む、請求項１に記載の光導波路干渉計。
17. 前記セグメントは、長さが少なくとも１μｍよりも長い狭部を含む、請求項１６に記載の光導波路干渉計。
18. 前記第一の光合波部、前記第二の光合波部及び前記１組の導波路の底部に取り付けられた基板を更に備え、該基板は、リン化インジウム基板、シリコン基板及びガラス基板のうちの１つ又は組み合わせを含む、請求項１に記載の光導波路干渉計。
19. 前記第二の長さは、
    予め設定された波長について前記１組の光導波路のコア厚みを決定するステップと、
    予め設定されたシステム設計に従って前記第一の長さ及び前記第一の幅を決定するステップと、
    予め設定された波長分離と前記第一の導波路の有効屈折率とに基づいて追加の長さを決定するステップと、
    前記第一の長さ及び前記追加の長さを加えることによって、前記第二の長さを決定するステップと
    によって決定される、請求項１に記載の光導波路干渉計。
20. 光導波路干渉計を製造する方法であって、
    多層成長リン化インジウム基板を設けることであって、前記多層成長基板は、予め設定された第一の厚みを有する第一のリン化インジウム（ＩｎＰ）層と、予め設定されたコア厚みを有するヒ化リン化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓＰ）層と、予め設定された第二の厚みを有する第二のＩｎＰ層とを含むことと、
    キャッピング層上にフォトレジストマスクを形成することであって、該マスクは、第一の長さ及び第二の長さ、及び、第一の幅及び第二の幅を有するように設計され、前記第二の長さは前記第一の長さよりも大きく、前記第二の幅は前記第一の幅よりも大きいことと、
    エッチングプロセスを行って、前記ＩｎＧａＡｓＰ層の底部から予め設定された深さｄを有する予め設定された溝を形成することと、
    を含む、方法。
21. 前記予め設定された第一の厚みは、０．３μｍから０．５μｍまでの間であり、前記予め設定されたコア厚みは、０．３μｍから０．７μｍまでの間であり、前記予め設定された第二の厚みは、０．３μｍから２．５μｍまでの間であり、前記予め設定された深さｄは、０．１μｍから１．０μｍまでの間である、請求項２０に記載の方法。

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