JP3654383B2 - 光アド／ドロップ多重素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長距離光ファイバ通信、光加入者系通信、光ＬＡＮ、光ＣＡＴＶなどの伝送系において波長多重ネットワークを構築する際に特定のノードにおいて特定の波長の光信号を取り出したり、または挿入するために利用される光アド／ドロップ多重素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
広帯域マルチメディア通信の時代を迎え、光通信システムにもその伝送容量の飛躍的な増大とともに、並列化、ネットワーク化といったフレキシビリティの向上が求められている。波長多重伝送方式（以下、ＷＤＭと略称する）はこの条件を満たす伝送方式であり、長距離伝送系から加入者アクセス系にわたる広範な伝送システムに適用可能な重要な技術である。例えば、従来の一波長通信では不可能であった一部分の光信号のみを特定のノードで取り出したり、挿入したりすることがＷＤＭ方式では可能となり、伝送路の有効活用が図れる。
【０００３】
ＷＤＭ方式においては、実際には特定の波長を有する光信号のみを波長選択フィルタで取り出したり、または挿入する機能を有する光アド／ドロップ多重素子（以下、光ＡＤＭ素子と略称する）を伝送路が交わる点に配設することが必要である。
【０００４】
この種の光ＡＤＭ素子の動作について図８を参照して説明する。図８に示すように、対地９１から異なった波長λ1 〜λ4 の４チャネルからなる光信号が送信されている状態において、光ＡＤＭ素子９０を図示のように挿入すると、ケーブルを終端することなく、波長λ2 の光信号のみを途中の対地９２で取り出したり、挿入することができる。
【０００５】
このような光ＡＤＭ素子としては、図９に示すように、ファイバグレーティングフィルタ９４および光サーキュレータ９５，９６を組み合わせて使用したもの（C.R.Giles and V.Mizrahi,"Low-Loss ADD/DROP MUltiplexers for WDM Lightwave Networks",paper ThC2-1,in Technical Digest of IOOC'95)や複数の誘電体多層膜フィルタを組み合わせたものがある。
【０００６】
また、半導体や誘電体を用いた導波路型の波長選択フィルタも報告されている。半導体を用いた波長選択フィルタとしては、グレーティングを用いた方向性結合器型フィルタ（例えば、R.C.Alferness,T.L.Koch,L.L.Buhl,F.Storz,F.Heismann,and M.J.R.Martyak,"Grating-Assisted InGaAsP/InP vertical codirectional coupler filter",Applied Physics Letter,vol.55,PP.2011-2013（1989）、またはH.Sakata and S.Takeuchi,"Grating-Assisted Directional Coupler Filters Using AlGaAs/GaAs MQW Waveguides",IEEE Photonics Technology Letters,vol.3,PP.899-901(1991)) やグレーティングを用いたノッチフィルタ（J.-P.Weber,B.Stoltz,M.Dasler,and B.Koek,"Four-Channel Tunable Optical Notch Filter Using InGaAsP/InP Reflection Gratings",IEEE Photonics Technology Letters,vol.6,No.1,PP.77-79(1994) がある。
【０００７】
図１０および図１１は、それぞれR.C.Alferness らによる方向性結合器型フィルタおよび J.-P.Weber らによるノッチフィルタを示している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＷＤＭにおいて伝送容量を増加させるには伝送波長数を増加させる必要があるが、波長間隔が狭くなるに連れ、光ＡＤＭ素子のフィルタ特性にも狭帯域なものが要求される。また、ネットワークのフレキシビリティを向上させるという観点からは、あるノードでアド／ドロップをするチャネル（波長）を任意に選択できることやチャネル数を変化させられることが望まれる。例えば、図８に示す波長λ1 〜λ4 の４チャネルＷＤＭにおいて、対地９２ではλ2 の光信号がアド／ドロップできる構成であるが、これをλ3 のチャネルがアド／ドロップできるようにすることやλ2 ，λ3 の２チャネルをアド／ドロップできるようにすることである。この機能を有する光ＡＤＭ素子を用いると、回線需要の変化に柔軟に対応でき、非常事態時のレストレーションにも有用であり、動的なＷＤＭネットワークの構築が可能になる。
【０００９】
ファイバグレーティングや誘電体多層膜を用いた従来の光ＡＤＭ素子では、狭帯域なフィルタ特性を得ることができるものの、光サーキュレータや３ｄＢカップラなどの光部品が必要になるため、大がかりになり、非経済的であるとともに信頼性の面でも問題が多い。また、フィルタの選択波長を変化させるのが困難なため、複数チャネルの選択を実現するには光ＡＤＭ素子を並列または直列に配置しなければならず複雑な構成となる。
【００１０】
一方、半導体を材料とする導波路型の波長フィルタでは、フィルタ領域に電流を注入できる構成にすると、注入電流の変化により同領域の屈折率を制御することができ、これによってフィルタの選択波長を変化させることができる。しかしながら、上述した方向性結合器型の波長フィルタでは、狭帯域なフィルタ特性を得るためには結合長を長くしなければならず、結果的に大きさが大きくなるという問題がある。例えば、R.C.Alferness らの例では、１ｍｍの結合長でフィルタ特性の３ｄＢ幅は６．５ｎｍであった。また、半値幅等のフィルタ特性を制御するには２本の光導波路間隔あるいはグレーティング形状を厳密に制御する必要があるが、結合を強くするにつれて作製上の困難さが増大するという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、任意の波長の光信号を取り出したり挿入でき、狭帯域な波長選択特性を有し、小型で信頼性が高い光アド／ドロップ多重素子を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、半導体基板の垂直方向に各々所定の間隔をあけて積層して形成され、隣接するもの同士の少なくとも一部が互いに平行かつ近接して配設され、該平行近接部で前記隣接するもの同士間の結合部を形成している複数の光導波路と、光の進行方向に沿って所定の周期で前記結合部に形成され、該結合部を形成する前記隣接した光導波路の一方へ入力される光信号のうち所定の波長の光信号を前記隣接した光導波路の他方に反射する回折格子と、前記結合部の回折格子で反射し得る光信号の波長を可変させるべく前記結合部に電流注入または電界印加を行い得るように前記結合部を構成する前記隣接光導波路の垂直方向の両側に配設された電極構造とを有し、前記隣接する光導波路の間には導波路分離層が形成され、前記回折格子は、前記導波路分離層内に光の進行方向に沿って所定の周期で複数の棒状部が互いにほぼ並行に並設された構成を有するとともに、前記結合部において前記半導体基板の垂直方向にそれぞれ異なる周期をもって複数形成され、該複数の回折格子の各々によって異なる波長の光信号を反射または通過させるべく該複数の回折格子の各々に対して前記電極構造から前記電流注入または電界印加を個別または同時に行うことができることを特徴とする。
【００１５】
請求項１記載の本発明にあっては、複数の光導波路の各隣接した光導波路において一方の光導波路に対して複数の波長からなる光信号を入力すると、電極構造からの電流注入または電界印加により可変された特定の波長の光信号のみが回折格子で反射されて他方の光導波路から取り出される。
また、結合部において半導体基板の垂直方向にそれぞれ異なる周期をもって複数の回折格子が形成されており、該複数の回折格子の各々に対して電極構造から電流注入または電界印加を個別または同時に行うことができるので、複数の回折格子の各々によって異なる波長の光信号を反射または通過させるように設定することができる。
【００１６】
また、請求項２記載の本発明は、請求項１記載の発明において、前記電極構造が、前記複数の回折格子に対して光の進行方向にそれぞれ独立に形成された複数の電極構造を有し、該複数の電極構造の各々から前記複数の回折格子の各々に対して前記電流注入または電界印加を個別または同時に行うことができることを特徴とする。
【００１７】
請求項２記載の本発明にあっては、半導体基板の垂直方向に形成された複数の回折格子に対して光の進行方向にそれぞれ独立に形成された複数の電極構造を有しており、該複数の電極構造の各々から複数の回折格子の各々に対して電流注入または電界印加を個別または同時に行うことができるので、複数の回折格子の各々の、光の進行方向で異なる波長の光信号を反射または通過させるように設定することができる。
【００２０】
請求項３記載の本発明は、半導体基板の垂直方向に各々所定の間隔をあけて積層して形成され、隣接するもの同士の少なくとも一部が互いに平行かつ近接して配設され、該平行近接部で前記隣接するもの同士間の結合部を形成している複数の光導波路と、光の進行方向に沿って所定の周期で前記結合部に形成され、該結合部を形成する前記隣接した光導波路の一方へ入力される光信号のうち所定の波長の光信号を前記隣接した光導波路の他方に反射する回折格子と、前記結合部の回折格子で反射し得る光信号の波長を可変させるべく前記結合部に電流注入または電界印加を行い得るように前記結合部を構成する前記隣接光導波路の垂直方向の両側に配設された電極構造とを有し、前記隣接する光導波路の間には導波路分離層が形成され、前記回折格子は、前記導波路分離層内に光の進行方向に沿って所定の周期で複数の棒状部が互いにほぼ並行に並設された構成を有するとともに、前記結合部において前記半導体基板の垂直方向および光の進行方向にそれぞれ異なる周期をもって複数形成され、前記電極構造は、該複数の回折格子に対して光の進行方向にそれぞれ独立に形成された複数の電極構造を有し、前記複数の回折格子の各々によって異なる波長の光信号を反射または通過させるべく前記複数の電極構造から前記複数の回折格子に対して前記電流注入または電界印加を個別または同時に行うことができることを特徴とする。
【００２１】
請求項３記載の本発明にあっては、半導体基板の垂直方向および光の進行方向に形成された複数の回折格子に対して複数の電極構造を形成してあり、該複数の電極構造の各々から複数の回折格子の各々に対して電流注入または電界印加を個別または同時に行うことができるので、複数の回折格子の各々によって異なる波長の光信号を反射または通過させるように設定することができる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【００５１】
図１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明が原理とする光アド／ドロップ多重素子の構成を示す斜視図および図１（ａ）の線Ａ−Ａ′に沿った断面図である。同図に示す光アド／ドロップ多重素子（以下、光ＡＤＭ素子と略称する）は、ＩｎＰからなるｎ導電性の半導体基板１の上にＩｎＰからなる半絶縁層７が形成され、該半絶縁層７内にはＩｎＧａＡｓＰからなる下部光導波路２が埋設されている。この下部光導波路２は、図１（ａ）において点線で示すように、入力ポート１１から直進した後、湾曲して再度直進し、それから再度元の方に湾曲してから再度直進してスルーポート１３に到るように形成されている。
【００５２】
また、下部光導波路２の上にはＩｎＰからなる導波路分離層３が形成され、該導波路分離層３の上にＩｎＧａＡｓＰからなる上部光導波路層４が形成されている。そして、この上部光導波路層４の上にはＩｎＰからなるクラッド層５が突出して形成され、該クラッド層５の真下に対応する上部光導波路層４の部分には上部光導波路４ａを形成している。クラッド層５および上部光導波路４ａは、上述した下部光導波路２と対称的にドロップポート１２から直進した後、湾曲して下部光導波路２に接近してから、下部光導波路２に平行に所定距離Ｌ直進し、この直進部分で下部光導波路２と上部光導波路層４との結合部１９を形成している。それから、クラッド層５および上部光導波路４ａは、下部光導波路２から離れて、再度元の方に湾曲してから直進してアドポート１４に到るように形成されている。
【００５３】
下部光導波路２と上部光導波路４ａが近接し平行に直進して形成する結合部１９には、回折格子１０が所定の周期Λで所定距離Ｌだけ形成され、これにより結合部１９は後述するように入力ポート１１からの複数の波長からなる光信号を通過させたり、またはドロップさせるフィルタ領域を構成しているものである。この所定距離Ｌを結合長と称する。なお、回折格子１０は、図１（ｂ）に示すように、下部光導波路２と上部光導波路層４との間の導波路分離層３内に所定の周期Λで例えばＩｎＧａＡｓＰからなる複数の棒状部を平行に埋設して形成されたり、または導波路分離層３に接する上部光導波路層４の下面を所定の周期Λで波形状または凹凸状に形成する等して構成されるものである。
【００５４】
入力ポート１１は、下部光導波路２の湾曲した曲がり光導波路を介して結合部１９のフィルタ領域に結合し、該フィルタ領域の下部光導波路２から曲がり光導波路を介してスルーポート１３に接続されている。また、アドポート１４は、上部光導波路４ａの曲がり光導波路からフィルタ領域に結合し、該フィルタ領域から上部光導波路層４の曲がり光導波路を介してドロップポート１２に接続されている。本実施の形態では、ファイバ等外部とのカップリングを容易にするために曲がり導波路を採用したが、一部または全てを直線導波路で代用することも可能であるし、本質的には中央のフィルタ領域のみでも本素子の機能をはたすことができる。
【００５５】
このように構成される光ＡＤＭ素子において、入力ポート１１から挿入されたｍ個の波長λ1 〜λm からなる光信号は、下部光導波路２により結合部１９のフィルタ領域に導かれる。フィルタ領域に導かれた光信号は、該フィルタ領域を構成する回折格子１０によって所定の波長λk の光信号のみが反射され、ドロップポート１２からドロップされ、その他の波長の光信号はフィルタ領域を通過してスルーポート１３から出力される。
【００５６】
更に具体的には、ｎ1 を下部光導波路の実効屈折率、ｎ2 を上部光導波路の実効屈折率とし、ｋを１≦ｋ≦ｍとし、λk をｍ個の波長λ1 〜λm の内の１つを指定するものとすると、回折格子１０の周期Λは次式のように設定される。
Λ＝λk ／（ｎ1 ＋ｎ2 ）
【００５７】
そして、下部光導波路２と上部光導波路４ａとの間隔を適当に設定すると、波長λk のチャネルの光信号のみが回折格子１０で反射されてドロップポート１２から出力され、その他の波長の光信号はフィルタ領域を通過してスルーポート１３から出力される。
【００５８】
回折格子１０からなる波長フィルタは、反射型であるため、狭い半値幅が従来技術の透過型素子よりも短い結合長で実現可能である。例えば、実際のＷＤＭシステムで必要とされる波長間隔は１ｎｍ以下であるが、数値計算によると、これが１ｍｍ以下の結合長Ｌで実現できる。具体的な計算結果を後述する。
【００５９】
また、図１に示す光ＡＤＭ素子において、入力ポート１１からｍ個の波長λ1 〜λm からなる光信号が挿入されている状態において、アドポート１４から波長λk の光信号（図１ではλk ′として示されている）を入力すると、該光信号はフィルタ領域の回折格子１０によって同様に反射され、スルーポート１３から他のチャネルの透過光信号と一緒に出力される。すなわち、図１の光ＡＤＭ素子は波長λk の光信号をドロップ／アドすることができることになる。
【００６０】
更に、回折格子１０の周期Λおよび深さｄ、結合長Ｌを適当に設定することにより、回折格子１０の反射特性の半値幅を調整することができ、波長λk を中心波長とする複数のチャネルをドロップ／アドすることもできる。
【００６１】
図２（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明が原理とする光ＡＤＭ素子の別の構成を示す斜視図および図２（ａ）の線Ａ−Ａ′に沿った断面図である。同図に示す光ＡＤＭ素子は、図１に示した光ＡＤＭ素子において電極を設け、該電極から電流注入または電界印加を行って、光導波路の実効屈折率を可変し、回折格子１０によって選択されるチャネルを容易に変化し得るように構成した点が異なるものであって、その他の構成および作用は図１のものと同じであり、同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００６２】
すなわち、図２に示す光ＡＤＭ素子は、図１のクラッド層５の上にｐ導電性のＩｎＧａＡｓＰからなるキャップ層６が形成され、このキャップ層６の上に更にｐ（正）側電極８が形成されているとともに、また半導体基板１の下側にｎ（負）側電極９が形成されている。なお、ｎ側電極９は半導体基板１の下側に全面的に形成されているのに対して、ｐ側電極８はフィルタ領域を構成している結合部１９に結合長Ｌの長さだけ形成されている。なお、図２に示す構成では、電極から注入される電流が効率良く光導波路に狭窄されるように上部光導波路４ａはリッジ構造とし、下部光導波路２は半絶縁層７を用いた埋込構造としてある。
【００６３】
このように構成される光ＡＤＭ素子は、ｐ側電極８およびｎ側電極９に電流注入または電界印加を行わない状態においては図１の光ＡＤＭ素子と同様に回折格子１０の周期Λ、フィルタ領域の実効屈折率ｎによって決まる波長λの光信号を回折格子１０で反射するが、ｐ側電極８およびｎ側電極９から電流を注入したり、またはｐ側電極８およびｎ側電極９間に電界を印加することにより、フィルタ領域の実効屈折率ｎを変化させることができ、これにより回折格子１０によって反射される光信号の波長λを可変することができる。すなわち、回折格子１０で選択されるチャネルを容易に変化させることができる。
【００６４】
なお、上述した図１および図２の構成では、上部光導波路層４上にクラッド層５を突出して形成したリッジ構造とし、該クラッド層５の真下に対応する上部導波路層４の内部に上部光導波路４ａを形成しているが、このように突出したクラッド層を設けて、上部光導波路４ａを形成する代わりに、上部光導波路層４内に埋め込まれた下部光導波路２のような上部光導波路を形成する埋込構造も可能である。
【００６５】
また、上述した各構成では、光導波路２，４ａが半導体基板１の垂直方向に２つのみ形成され、両者の結合部１９において２つの光導波路２，４ａとが垂直方向において近接して平行に設けられている場合について説明したが、光導波路の数は２つに限定されるものでなく、３つ以上でも可能である。
【００６６】
例えば、３つの光導波路を半導体基板１の垂直方向に配設し、これらの結合部においては第１の光導波路の上に第２の光導波路を近接平行して設け、この第２の光導波路の上に更に第３の光導波路を近接平行して設け、第１および第２の光導波路の間に第１の回折格子を設け、第２の光導波路と第３の光導波路との間に第２の回折格子を設けるように構成することにより、第１および第２の回折格子の周期Λ1 ，Λ2 およびフィルタ領域の実効屈折率によって決まる波長λ1 ，λ2 の光信号をそれぞれ第１および第２の回折格子によって反射し、光信号のドロップ／アドを行うことができる。
【００６７】
また、この場合には、第１、第２および第３の光導波路の外側から図２と同様にｐ側電極、ｎ側電極を形成し、該電極から電流注入または電界印加を行うことにより、第１および第２の回折格子によって選択される光信号の波長を可変することもできる。
【００６８】
次に、図２に示した光ＡＤＭ素子の一具体例の寸法を図３（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示す斜視図および断面図を参照して説明する。
【００６９】
この具体例の光ＡＤＭ素子のチップの全体の大きさは、同図（ａ）に斜視図として示すように、光の進行方向である縦方向の長さが３ｍｍ、横方向の長さが３００μｍである。縦方向の長さ３ｍｍのうち、結合部１９であるフィルタ領域の長さＬは１ｍｍであり、光導波路２，４ａの曲がり導波路部分の長さは結合部１９の両側のそれぞれが５００μｍであり、光導波路のその他の直線部分の長さはそれぞれ５００μｍである。また、光ＡＤＭ素子の横方向の長さ３００μｍのうち、入力ポート１１とドロップポート１２との間の長さは１５０μｍであり、その両側の部分の長さはそれぞれ７５μｍである。
【００７０】
光ＡＤＭ素子の断面の寸法は、図３（ｂ）に示すように、半導体基板１の厚さが１００μｍであり、その上の下部光導波路２を含む半絶縁層７の厚さが０．５μｍであり、導波路分離層３の厚さが０．３μｍであり、上部光導波路層４の厚さが０．５μｍであり、クラッド層５の厚さが１μｍであり、キャップ層の厚さが０．２μｍである。また、クラッド層５の幅は４μｍである。
【００７１】
更に、回折格子１０の周期Λを０．２３６４μｍ、深さｄを０．０３μｍとし、各部を上述した材料で形成し、上述した寸法を有し、更に電極に電流注入を行わない場合、１．５５μｍの波長を反射することができる。数値計算の結果、この構造によると、１ｍｍの結合長の素子において反射スペクトルの３ｄＢ帯域幅０．７ｎｍという狭帯域なフィルタ特性が期待できる。また電極８，９に３００ｍＡの電流を注入すると、波長をおよそ７ｎｍ変化させることができる。
【００７２】
図４（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態に係わる光ＡＤＭ素子の構成をそれぞれ示す平面図および図４（ａ）の線Ｂ−Ｂ′に沿った断面図である。同図に示す光ＡＤＭ素子は、図２に示した光ＡＤＭ素子において回折格子を半導体基板の垂直方向および光の進行方向にそれぞれ複数設けるとともに、更に複数のｐ側電極を設け、これらの複数のｐ側電極への電流注入または電界印加を独立に行えるように構成した点が異なるものであり、その他の構成、材質および作用は図２に示すものと同じであり、同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００７３】
すなわち、図４に示す光ＡＤＭ素子においては、キャップ層６の上に形成されたｐ側電極は、光の進行方向において複数のｐ側電極２７，２８，２９，３０に分割されるとともに、これらの複数のｐ側電極のそれぞれに対応してキャップ層６およびクラッド層５も同様に分割され、これらの分割されたものの間にはそれぞれを電気的に分離するための高抵抗領域３１，３２，３３が形成されている。
【００７４】
また、第１のｐ側電極２７と第２のｐ側電極２８の両方の真下に相当する導波路分離層３内には第１の回折格子３４および第２の回折格子３５が半導体基板１に対して垂直方向に積層して形成され、更に第３のｐ側電極２９と第４のｐ側電極３０の両方の真下に相当する導波路分離層３内には第３の回折格子３６および第４の回折格子３７が半導体基板１に対して垂直方向に積層して形成されている。そして、第１の回折格子３４と第４の回折格子３７とは、導波路分離層３内の上方において光の進行方向に並んで設けられ、また第２の回折格子３５と第３の回折格子３６とは、導波路分離層３内の下方において光の進行方向に並んで設けられている。
【００７５】
なお、第１の回折格子３４、第２の回折格子３５、第３の回折格子３６、第４の回折格子３７は、それぞれ異なる周期Λ1 ，Λ2 ，Λ3 ，Λ4 をもって形成されている。また、第１〜第４のｐ側電極２７〜３０のそれぞれへの注入電流Ｉ1 〜Ｉ4 は、独立に制御できるように構成されている。そして、第１のｐ側電極２７への注入電流Ｉ1 は、その真下に位置する光導波路２，４ａの実効屈折率を変化させ、これにより第１の回折格子３４および第２の回折格子３５の反射特性を変化させ、また第２のｐ側電極２８への注入電流Ｉ2 は同様にして第１の回折格子３４および第２の回折格子３５の反射特性を変化させ、第３のｐ側電極２９への注入電流Ｉ3 は第３の回折格子３６および第４の回折格子３７の反射特性を変化させ、更に第４のｐ側電極３０への注入電流Ｉ4 は第３の回折格子３６および第４の回折格子３７の反射特性を変化させることができ、これにより第１〜第４の回折格子３４〜３７のそれぞれ異なる周期Λ1 〜Λ4 と異なる注入電流Ｉ1 〜Ｉ4 を加えることにより各回折格子はそれぞれ異なる波長の光信号を反射することができる。
【００７６】
次に、図５を参照して、以上のように構成される光ＡＤＭ素子の作用を説明する。
【００７７】
図５（ａ）に示すように、ＷＤＭにおいてチャネル１〜８が配置され、これらのチャネルに対して第１〜第４の回折格子３４〜３７を割り当てるように、チャネル間隔周期Λ1 〜Λ4 、流入電流Ｉ1 〜Ｉ4 を設定することができる。例えば、第１のチャネル（ｃｈ．１）に対しては第１の回折格子３４、第２のチャネル（ｃｈ．２）に対しては第２の回折格子３５、第３のチャネル（ｃｈ．３）に対しては第１の回折格子３４、第４のチャネル（ｃｈ．４）に対しては第２の回折格子３５、第５のチャネル（ｃｈ．５）に対しては第３の回折格子３６、第６のチャネル（ｃｈ．６）に対しては第４の回折格子３７、第７チャネル（ｃｈ．７）に対しては第３の回折格子３６、第８のチャネル（ｃｈ．８）に対しては第４の回折格子３７を割り当てることとする。
【００７８】
具体的に説明すると、第１のｐ側電極２７から適当な量の第１の注入電流Ｉ1 を供給すれば、第１のｐ側電極２７の真下のフィルタ領域の実効屈折率ｎが変化し、この変化した実効屈折率ｎと第１および第２の回折格子３４，３５の周期Λ1 ，Λ2 に基づいて決定され、第１の回折格子３４および第２の回折格子３５がそれぞれ反射する光信号の２つの波長を第１のチャネル（ｃｈ．１）と第２のチャネル（ｃｈ．２）の波長λ1 およびλ2 にそれぞれ等しくなるように設定することにより、第１の回折格子３４および第２の回折格子３５はそれぞれ第１のチャネル（ｃｈ．１）および第２のチャネル（ｃｈ．２）を反射し、ドロップポートからドロップすることができる。
【００７９】
同様にして、第２のｐ側電極２８から第１の注入電流Ｉ1 と異なる第２の注入電流Ｉ2 を供給すれば、第１の回折格子３４および第２の回折格子３５はそれぞれ異なる波長λ3 ，λ4 の第３のチャネル（ｃｈ．３）および第４のチャネル（ｃｈ．４）を反射し、ドロップポートからドロップすることができる。
【００８０】
また同様に、第３のｐ側電極２９から第３の注入電流Ｉ3 を供給すれば、第３の回折格子３６および第４の回折格子３７はそれぞれ異なる波長λ5 ，λ6 の第５のチャネル（ｃｈ．５）および第６のチャネル（ｃｈ．６）を反射し、ドロップポートからドロップすることができる。
【００８１】
更に同様に、第４のｐ側電極３０から第３の注入電流Ｉ3 と異なる第４の注入電流Ｉ4 を供給すれば、第３の回折格子３６および第４の回折格子３７はそれぞれ異なる波長λ7 ，λ8 の第７のチャネル（ｃｈ．７）および第８のチャネル（ｃｈ．８）を反射し、ドロップポートからドロップすることができる。
【００８２】
なお、上記実施形態では、第３および第４の回折格子３６，３７の周期をそれぞれΛ3 およびΛ4 とし、第１および第２の回折格子３４，３５の周期と異なるように設定しているが、第３および第４の回折格子３６，３７の周期Λ3 およびΛ4 を第１および第２の回折格子３４，３５の周期Λ1 およびΛ2 と同じ周期にそれぞれ設定しても、第３および第４の注入電流Ｉ3 およびＩ4 を適切に設定することにより、図５（ａ）で説明したと同様に８チャネルの光信号をアド／ドロップすることが可能である。
【００８３】
また、上述した図５（ａ）に基づいた説明は、各ｐ側電極でそれぞれ対応する２つの回折格子を同時にドロップ状態に制御して、第１〜第８のすべてのチャネルを各回折格子で同時に反射してドロップしている状態であるが、各１つのｐ側電極で２つの回折格子のうちの一方をドロップ状態に制御し、他方をスルー状態に制御することもできる。
【００８４】
具体的には、図５（ａ）で説明した状態において、図５（ｂ）の上部に示すように、第１のｐ側電極２７に供給されている注入電流Ｉ1 を増大すると、この増大変化に応じて該第１のｐ側電極２７に関連する光導波路の実効屈折率ｎが変化し、これにより第１および第２の回折格子３４，３５で反射する光信号の波長も変化する。従って、この注入電流Ｉ1 を第２の回折格子３５の反射特性の中心波長が第１のチャネル（ｃｈ．１）をドロップするまで増大させると、第２のチャネル（ｃｈ．２）はスルー状態になり、第１のチャネル（ｃｈ．１）のみがドロップされることになる。
【００８５】
また、図５（ｂ）の下部に示すように、注入電流Ｉ1 を第２の回折格子３５の反射特性の中心波長が第２のチャネル（ｃｈ．２）をドロップするまで低減すると、第１のチャネル（ｃｈ．１）はスルー状態になり、第２のチャネル（ｃｈ．２）のみがドロップされることになる。更に、第１および第２のチャネル（ｃｈ．１，ｃｈ．２）の両方をスルーにすることも可能である。同様のことは、他のチャネルに対しても可能である。
【００８６】
すなわち、上述したことから、本実施形態の光ＡＤＭ素子は、ｎ本のチャネルのうち任意の８チャネルの光信号をドロップ／アドすることができる。また、より多数のチャネルを有する場合でも同様の手法によりドロップ／アドすることが可能である。
【００８７】
なお、図４に示す実施形態では、回折格子を垂直方向および光の進行方向にそれぞれ２個ずつ設ける場合が示されているが、回折格子の数は２個に限定されるものでなく、複数の回折格子を設けることが可能である。また、本実施形態では、回折格子を垂直方向および光の進行方向の両方向にそれぞれ複数設ける場合が示されているが、回折格子を垂直方向にのみ複数設けたり、または光の進行方向にのみ複数設けるように構成され、それぞれに対して複数の電極を設けるように構成しても同様の効果を達成することは可能である。
【００８８】
また、図６（ａ）に示すように、第１、第２のｐ側電極２７，２８に供給される注入電流Ｉ1 とＩ2 を同一にする（Ｉ1 ＝Ｉ2 ）とともに、両ｐ側電極２７，２８に対応する２つのフィルタ領域の反射により第１のチャネル（ｃｈ．１）のみをドロップしている状態を上述したように設定し、この状態から注入電流Ｉ2 のみを僅かに変化させて（Ｉ1 ≠Ｉ2 ）、同領域による反射特性の中心波長をずらすと、フィルタの結合長は等価的に短くなり、図６（ｂ）に示すように同領域による反射特性の半値幅が広くなる。この作用を利用すると、注入電流Ｉ2 を注入電流Ｉ1 に等しく設定するかまたは注入電流Ｉ1 から僅かに変化させるという注入電流Ｉ2 の変化のみによって第１のチャネル（ｃｈ．１）のみをドロップした状態から第１のチャネル（ｃｈ．１）および第２のチャネル（ｃｈ．２）の両方をドロップする状態に変化させることも可能である。
【００８９】
更に、上述した実施形態において、回折格子の結合の強さを光の進行方向に沿って変化させるように構成することもできる。この回折格子の結合の強さの変化は、例えば隣接する光導波路からなる結合部において光導波路に直交する方向の回折格子の長さを光の進行方向に沿って変化させることにより達成され、このように構成することにより結合部からなるフィルタの特性をシャープにすることができ、サイドローブを小さくすることができる。
【００９０】
また、上述した実施形態では、回折格子における光の反射率は、特に規定せず、例えば入力ポートからの光信号をドロップポートに１００％反射するものとして説明したが、この反射率を可変することも可能である。この反射率の可変は、例えば結合部における光の進行方向での回折格子の形成された領域の長さ、回折格子の深さ、および隣接する光導波路間の距離等を可変することにより可能である。そして、このように回折格子の反射率を可変することにより、複数の波長の中のある特定の波長の光信号のみを最初のノードでは例えば３０％ドロップし、次のノードでも３０％ドロップし、その次のノードでは４０％ドロップするというように複数のノードで利用することが可能である。
【００９１】
図７も、本発明が原理とする光ＡＤＭ素子のさらに他の構造を示す断面図である。同図に示す光ＡＤＭ素子は、図２に示した光ＡＤＭ素子においては下部光導波路２を半絶縁層７の間に挟むように形成したのに対して、半絶縁層７を除去し、この半絶縁層７と下部光導波路２の部分にＩｎＧａＡｓＰからなる下部光導波路層７２を全体的に形成し、この下部光導波路層７２のほぼ中央部を下方に延出して隆起部７２ａを形成し、この隆起部７２ａに対応する下部光導波路層７２の部分に下部光導波路７２ｂを形成しているものであり、その他の構成および作用は図２に示した光ＡＤＭ素子と同じである。
【００９２】
図１〜図７で示した構成では、上部光導波路４ａおよび下部光導波路２の伝搬定数の差については記載していないが、光導波路の伝搬定数が同一である場合には、各ポート間でクロストークが発生することがある。例えば、図１のドロップ動作において、入力ポート１１から入力した光のうちブラッグ波長の光が回折格子１０によって反射されるが、このとき光導波路の伝搬定数が同一である場合には、上部光導波路４ａに結合してドロップポート１２に導かれる以外に入力ポート１１に戻る光もある。また、ブラッグ波長以外の透過光はスルーポート１３に導かれるが、同時にアドポート１４にも導かれるものもあり、これらはクロストークとなって、悪影響を及ぼすことがある。
【００９３】
上述したクロストークは、光導波路の伝搬定数が同一である場合には前記結合長や使用波長などを適切に設定することにより低減できる場合もあるが、結合長や波長が制約を受けるとともに、多波長の光に対して同時にクロストークを低減することは困難である。
【００９４】
すなわち、図７に示すように、厚さｗ1 および屈折率ｎ1 を有する下部光導波路７２ｂの実効屈折率および伝搬定数をそれぞれｎeff1およびβ1 とし、厚さｗ2 および屈折率ｎ2 を有する上部光導波路４ａの実効屈折率および伝搬定数をそれぞれｎeff2およびβ2 とし、この各光導波路の実効屈折率にｎeff1＜ｎeff2の関係があるとすると、各光導波路の伝搬定数もβ1 ＜β2 となる。
【００９５】
光の波長をλ、回折格子１０の周期をΛとすると、次に示すブラッグ条件：
【数１】
β1 ＋β2 ＝２π・ｎeff1／λ＋２π・ｎeff2／λ＝２π／Λ
を満たす波長λが回折格子１０を介した下部光導波路７２ｂと上部光導波路４ａの逆方向結合のブラッグ波長であり、ドロップ動作では入力ポート１１から入射した光のうち波長λの光がドロップポート１２に導かれる。
【００９６】
波長λは、下部光導波路７２ｂと上部光導波路４ａの間の逆方向結合のブラッグ条件を満たしているものであり、同一の光導波路内での逆方向結合に関してはブラッグ条件から大きく外れることになるためにほとんど起こることがない。従って入力ポート１１から入力ポート１１に戻る波長λの光はほとんど存在しなくなる。アド動作においても同様である。また、２β1 ＝２×２π・ｎeff1／λ′＝２π／Λ，２β2 ＝２×２π・ｎeff2／λ″＝２π／Λ（同一の光導波路内での逆方向結合に関するブラッグ条件）を満足するλと異なる波長であるλ′，λ″も存在するが、β1 とβ2 の差を適当に大きくとることで、使用帯域外に押しやるように設定することが可能である。
【００９７】
一方、２本の光導波路が近接して存在する場合には、回折格子の存在に関係なく、同方向結合が生じ、光が下部光導波路７２ｂから上部光導波路４ａへ、また下部光導波路７２ｂへというように両導波路間を行ったり来たりする。
【００９８】
入力光パワーを１とすると、両光導波路間を行き来する光の割合Ｆは、次式で表される。
Ｆ＝１／｛１＋（Δ／ｋ）2 ｝
ここで、Δは両光導波路間の伝搬定数の差を表し、Δ＝（β1 −β2 ）／２である。ｋは結合係数であり、両光導波路間のスペース層である導波路分離層３の厚さｄと伝搬する光の界分布によって主に決まる。ここで、両光導波路の伝搬定数が同じである場合、すなわち両伝搬定数の差Δ＝０である場合には、結合係数ｋの大小に関係なく、割合Ｆ＝１となり、結合長Ｌによっては入力した透過光のすべての光が他方の光導波路に移ってしまうことにもなる。
【００９９】
一方、両光導波路の伝搬定数の差Δを大きくすると、両光導波路間を行き来する光の割合Ｆは小さくなる。すなわち、両光導波路の伝搬定数の差が大きくなればなる程、クロストークを低減することができる。そして、伝搬定数は、上述したように、光導波路の厚さ、組成（屈折率）、構造を変えることにより変化させることができる。
【０１００】
このように、図７に示す構成では、上部光導波路４ａと下部光導波路７２ｂの伝搬定数を異なるように設定し、これにより上述したクロストークを全波長に対して同時に低減するとともに、またクロストークの度合いの結合長に対する依存度も小さくし、素子設計の自由度を増大するようにしている。
【０１０１】
光導波路の伝搬定数は、各光導波路の厚さ、組成（屈折率）、構造を変えることにより変化させることができる。
【０１０２】
図７を参照して、具体的な伝搬定数の差について説明する。図７に示すように、下部光導波路７２ｂと上部光導波路４ａとの間の導波路分離層３の厚さをｓとし、下部光導波路層７２の厚さをｂとした場合において、例えば、波長１．５５μｍのＴＥＯモードの光に対して、ｗ1 ＝０．８μｍ，ｎ1 ＝３．３８５，ｗ2 ＝０．５μｍ，ｎ2 ＝３．３１０，ｓ＝０．８μｍ，ｂ＝０．３５μｍ，結合長Ｌ＝３．０ｍｍ、回折格子１０の深さｄ＝０．０５μｍとした時、両光導波路間を行き来する光の割合Ｆは０．００３３、反射率は１、半値全幅は３Åとなる。また、波長１．５５μｍの光のうち入力ポート１１から入力された光が入力ポート１１に逆行するものはほとんどなくなる。なお、この場合の両光導波路の伝搬定数の差は、約３％である。
【０１０３】
両光導波路の伝搬定数にどれくらいの差を与えるかについては、使用波長範囲、波長数、素子の大きさの制限などにより決定されるべきものであるが、０．５〜１０％程度が適当であると考えられる。
【０１０４】
なお、上記構成では、下部光導波路７２ｂと上部光導波路４ａとは異なる構造のものとなっているが、両光導波路は同じ構造のものでもよく、任意の組合せのもので実現することができる。
【０１０５】
また、上述した実施形態や原理構成において、光導波および電流狭窄構造については、Ｆｅ−ＩｎＰを用いた埋込構造の他、ｐ−ｎ逆接合による埋込構造、リッジ構造などのあらゆる導波構造が適用可能であり、また光導波路には超格子導波路も適用可能である。半導体材料については上述したＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の他に、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの他の半導体材料も適用可能である。
【０１０６】
また、本構造は、ＳｉＯ2 ／Ｓｉ，ＳｉＯ2 −ＧｅＯ2 ／Ｓｉ等の半導体以外の導波路構造によっても実現可能であり、熱光学効果等の使用導波路に適した屈折率変化機構によりチューニング機能も実現できる。
【０１０８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体基板の垂直方向に所定間隔をあけて積層された複数の光導波路の各隣接した光導波路の一方へ入力される光信号のうち所定の波長の光信号を回折格子により他方の光導波路に反射する場合において電極構造から電流注入または電界印加を行うことにより回折格子で反射される光信号の波長を可変することができ、且つ隣接する光導波路の間には導波路分離層が形成され、前記回折格子は、前記導波路分離層内に光の進行方向に沿って所定の周期で複数の棒状部が互いにほぼ並行に並設して構成された構成を有るとともに、前記結合部において前記半導体基板の垂直方向にそれぞれ異なる周期をもって複数形成され、該複数の回折格子の各々によって異なる波長の光信号を反射または通過させるべく該複数の回折格子の各々に対して前記電極構造から前記電流注入または電界印加を個別または同時に行うことができるので、ドロップ／アドし得る光信号の波長を電流注入または電界印加により任意に可変することができる光ＡＤＭ素子を簡単かつ小型な構造で高い信頼性をもって提供することができ、回線需要の変化に柔軟に対応できるとともに非常事態時のレストレーションにも有用である動的なＷＤＭネットワークの構築が容易になる。また、ＷＤＭネットワークのフレキシビリティを飛躍的に向上することができる。
【０１１０】
本発明において、結合部に接続されている少なくとも一方の光導波路を湾曲させて形成するようにすれば、ファイバ等の外部とのカップリングを容易にすることができる。
【０１１１】
また、本発明において、回折格子の結合の強さを光の進行方向に沿って変化させるようにすれば、結合部からなるフィルタの特性をシャープにし、サイドローブを小さくすることができる。
【０１１２】
更に、本発明において、複数の光導波路のうち少なくとも１本の光導波路の伝搬定数を他の光導波路のものと異ならせたり、または複数の光導波路の各伝搬定数を互いに異ならせることにより、各光導波路間のクロストークを低減することができ、非常に狭帯域なフィルタ特性を有する光ＡＤＭ素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明が原理とする光アド／ドロップ多重素子の構成を示す斜視図および断面図である。
【図２】 本発明が原理とする光アド／ドロップ多重素子の別の構成を示す斜視図および断面図である。
【図３】 図２に示した光アド／ドロップ多重素子の一具体例の寸法をそれぞれ示す斜視図および断面図である。
【図４】 本発明の実施形態に係わる光アド／ドロップ多重素子の構成をそれぞれ示す斜視図および断面図である。
【図５】 図４に示す光アド／ドロップ多重素子の作用を示す図である。
【図６】 図４に示す光アド／ドロップ多重素子の別の作用を示す図である。
【図７】 本発明が原理とする光アド／ドロップ多重素子のさらに別の構成を示す断面図である。
【図８】 光アド／ドロップ多重素子の概念を示す図である。
【図９】 ファイバグレーティングおよび光サーキュレータを組み合わせた従来の光アド／ドロップ多重素子の構成を示す図である。
【図１０】 R.C.Alferness らによる従来の方向性結合器型フィルタを示す図である。
【図１１】 J.-P.Weberらによるノッチフィルタを示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、長距離光ファイバ通信、光加入者系通信、光ＬＡＮ、光ＣＡＴＶなどの伝送系において波長多重ネットワークを構築する際に特定のノードにおいて特定の波長の光信号を取り出したり、または挿入するために利用される光アド／ドロップ多重素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
広帯域マルチメディア通信の時代を迎え、光通信システムにもその伝送容量の飛躍的な増大とともに、並列化、ネットワーク化といったフレキシビリティの向上が求められている。波長多重伝送方式（以下、ＷＤＭと略称する）はこの条件を満たす伝送方式であり、長距離伝送系から加入者アクセス系にわたる広範な伝送システムに適用可能な重要な技術である。例えば、従来の一波長通信では不可能であった一部分の光信号のみを特定のノードで取り出したり、挿入したりすることがＷＤＭ方式では可能となり、伝送路の有効活用が図れる。
【０００３】
ＷＤＭ方式においては、実際には特定の波長を有する光信号のみを波長選択フィルタで取り出したり、または挿入する機能を有する光アド／ドロップ多重素子（以下、光ＡＤＭ素子と略称する）を伝送路が交わる点に配設することが必要である。
【０００４】
この種の光ＡＤＭ素子の動作について図８を参照して説明する。図８に示すように、対地９１から異なった波長λ1 〜λ4 の４チャネルからなる光信号が送信されている状態において、光ＡＤＭ素子９０を図示のように挿入すると、ケーブルを終端することなく、波長λ2 の光信号のみを途中の対地９２で取り出したり、挿入することができる。
【０００５】
このような光ＡＤＭ素子としては、図９に示すように、ファイバグレーティングフィルタ９４および光サーキュレータ９５，９６を組み合わせて使用したもの（C.R.Giles and V.Mizrahi,"Low-Loss ADD/DROP MUltiplexers for WDM Lightwave Networks",paper ThC2-1,in Technical Digest of IOOC'95)や複数の誘電体多層膜フィルタを組み合わせたものがある。
【０００６】
また、半導体や誘電体を用いた導波路型の波長選択フィルタも報告されている。半導体を用いた波長選択フィルタとしては、グレーティングを用いた方向性結合器型フィルタ（例えば、R.C.Alferness,T.L.Koch,L.L.Buhl,F.Storz,F.Heismann,and M.J.R.Martyak,"Grating-Assisted InGaAsP/InP vertical codirectional coupler filter",Applied Physics Letter,vol.55,PP.2011-2013（1989）、またはH.Sakata and S.Takeuchi,"Grating-Assisted Directional Coupler Filters Using AlGaAs/GaAs MQW Waveguides",IEEE Photonics Technology Letters,vol.3,PP.899-901(1991)) やグレーティングを用いたノッチフィルタ（J.-P.Weber,B.Stoltz,M.Dasler,and B.Koek,"Four-Channel Tunable Optical Notch Filter Using InGaAsP/InP Reflection Gratings",IEEE Photonics Technology Letters,vol.6,No.1,PP.77-79(1994) がある。
【０００７】
図１０および図１１は、それぞれR.C.Alferness らによる方向性結合器型フィルタおよび J.-P.Weber らによるノッチフィルタを示している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＷＤＭにおいて伝送容量を増加させるには伝送波長数を増加させる必要があるが、波長間隔が狭くなるに連れ、光ＡＤＭ素子のフィルタ特性にも狭帯域なものが要求される。また、ネットワークのフレキシビリティを向上させるという観点からは、あるノードでアド／ドロップをするチャネル（波長）を任意に選択できることやチャネル数を変化させられることが望まれる。例えば、図８に示す波長λ1 〜λ4 の４チャネルＷＤＭにおいて、対地９２ではλ2 の光信号がアド／ドロップできる構成であるが、これをλ3 のチャネルがアド／ドロップできるようにすることやλ2 ，λ3 の２チャネルをアド／ドロップできるようにすることである。この機能を有する光ＡＤＭ素子を用いると、回線需要の変化に柔軟に対応でき、非常事態時のレストレーションにも有用であり、動的なＷＤＭネットワークの構築が可能になる。
【０００９】
ファイバグレーティングや誘電体多層膜を用いた従来の光ＡＤＭ素子では、狭帯域なフィルタ特性を得ることができるものの、光サーキュレータや３ｄＢカップラなどの光部品が必要になるため、大がかりになり、非経済的であるとともに信頼性の面でも問題が多い。また、フィルタの選択波長を変化させるのが困難なため、複数チャネルの選択を実現するには光ＡＤＭ素子を並列または直列に配置しなければならず複雑な構成となる。
【００１０】
一方、半導体を材料とする導波路型の波長フィルタでは、フィルタ領域に電流を注入できる構成にすると、注入電流の変化により同領域の屈折率を制御することができ、これによってフィルタの選択波長を変化させることができる。しかしながら、上述した方向性結合器型の波長フィルタでは、狭帯域なフィルタ特性を得るためには結合長を長くしなければならず、結果的に大きさが大きくなるという問題がある。例えば、R.C.Alferness らの例では、１ｍｍの結合長でフィルタ特性の３ｄＢ幅は６．５ｎｍであった。また、半値幅等のフィルタ特性を制御するには２本の光導波路間隔あるいはグレーティング形状を厳密に制御する必要があるが、結合を強くするにつれて作製上の困難さが増大するという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、任意の波長の光信号を取り出したり挿入でき、狭帯域な波長選択特性を有し、小型で信頼性が高い光アド／ドロップ多重素子を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、半導体基板の垂直方向に各々所定の間隔をあけて積層して形成され、隣接するもの同士の少なくとも一部が互いに平行かつ近接して配設され、該平行近接部で前記隣接するもの同士間の結合部を形成している複数の光導波路と、光の進行方向に沿って所定の周期で前記結合部に形成され、該結合部を形成する前記隣接した光導波路の一方へ入力される光信号のうち所定の波長の光信号を前記隣接した光導波路の他方に反射する回折格子と、前記結合部の回折格子で反射し得る光信号の波長を可変させるべく前記結合部に電流注入または電界印加を行い得るように前記結合部を構成する前記隣接光導波路の垂直方向の両側に配設された電極構造とを有し、前記隣接する光導波路の間には導波路分離層が形成され、前記回折格子は、前記導波路分離層内に光の進行方向に沿って所定の周期で複数の棒状部が互いにほぼ並行に並設された構成を有するとともに、前記結合部において前記半導体基板の垂直方向にそれぞれ異なる周期をもって複数形成され、該複数の回折格子の各々によって異なる波長の光信号を反射または通過させるべく該複数の回折格子の各々に対して前記電極構造から前記電流注入または電界印加を個別または同時に行うことができることを特徴とする。
【００１５】
請求項１記載の本発明にあっては、複数の光導波路の各隣接した光導波路において一方の光導波路に対して複数の波長からなる光信号を入力すると、電極構造からの電流注入または電界印加により可変された特定の波長の光信号のみが回折格子で反射されて他方の光導波路から取り出される。
また、結合部において半導体基板の垂直方向にそれぞれ異なる周期をもって複数の回折格子が形成されており、該複数の回折格子の各々に対して電極構造から電流注入または電界印加を個別または同時に行うことができるので、複数の回折格子の各々によって異なる波長の光信号を反射または通過させるように設定することができる。
【００１６】
また、請求項２記載の本発明は、請求項１記載の発明において、前記電極構造が、前記複数の回折格子に対して光の進行方向にそれぞれ独立に形成された複数の電極構造を有し、該複数の電極構造の各々から前記複数の回折格子の各々に対して前記電流注入または電界印加を個別または同時に行うことができることを特徴とする。
【００１７】
請求項２記載の本発明にあっては、半導体基板の垂直方向に形成された複数の回折格子に対して光の進行方向にそれぞれ独立に形成された複数の電極構造を有しており、該複数の電極構造の各々から複数の回折格子の各々に対して電流注入または電界印加を個別または同時に行うことができるので、複数の回折格子の各々の、光の進行方向で異なる波長の光信号を反射または通過させるように設定することができる。
【００２０】
請求項３記載の本発明は、半導体基板の垂直方向に各々所定の間隔をあけて積層して形成され、隣接するもの同士の少なくとも一部が互いに平行かつ近接して配設され、該平行近接部で前記隣接するもの同士間の結合部を形成している複数の光導波路と、光の進行方向に沿って所定の周期で前記結合部に形成され、該結合部を形成する前記隣接した光導波路の一方へ入力される光信号のうち所定の波長の光信号を前記隣接した光導波路の他方に反射する回折格子と、前記結合部の回折格子で反射し得る光信号の波長を可変させるべく前記結合部に電流注入または電界印加を行い得るように前記結合部を構成する前記隣接光導波路の垂直方向の両側に配設された電極構造とを有し、前記隣接する光導波路の間には導波路分離層が形成され、前記回折格子は、前記導波路分離層内に光の進行方向に沿って所定の周期で複数の棒状部が互いにほぼ並行に並設された構成を有するとともに、前記結合部において前記半導体基板の垂直方向および光の進行方向にそれぞれ異なる周期をもって複数形成され、前記電極構造は、該複数の回折格子に対して光の進行方向にそれぞれ独立に形成された複数の電極構造を有し、前記複数の回折格子の各々によって異なる波長の光信号を反射または通過させるべく前記複数の電極構造から前記複数の回折格子に対して前記電流注入または電界印加を個別または同時に行うことができることを特徴とする。
【００２１】
請求項３記載の本発明にあっては、半導体基板の垂直方向および光の進行方向に形成された複数の回折格子に対して複数の電極構造を形成してあり、該複数の電極構造の各々から複数の回折格子の各々に対して電流注入または電界印加を個別または同時に行うことができるので、複数の回折格子の各々によって異なる波長の光信号を反射または通過させるように設定することができる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【００５１】
図１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明が原理とする光アド／ドロップ多重素子の構成を示す斜視図および図１（ａ）の線Ａ−Ａ′に沿った断面図である。同図に示す光アド／ドロップ多重素子（以下、光ＡＤＭ素子と略称する）は、ＩｎＰからなるｎ導電性の半導体基板１の上にＩｎＰからなる半絶縁層７が形成され、該半絶縁層７内にはＩｎＧａＡｓＰからなる下部光導波路２が埋設されている。この下部光導波路２は、図１（ａ）において点線で示すように、入力ポート１１から直進した後、湾曲して再度直進し、それから再度元の方に湾曲してから再度直進してスルーポート１３に到るように形成されている。
【００５２】
また、下部光導波路２の上にはＩｎＰからなる導波路分離層３が形成され、該導波路分離層３の上にＩｎＧａＡｓＰからなる上部光導波路層４が形成されている。そして、この上部光導波路層４の上にはＩｎＰからなるクラッド層５が突出して形成され、該クラッド層５の真下に対応する上部光導波路層４の部分には上部光導波路４ａを形成している。クラッド層５および上部光導波路４ａは、上述した下部光導波路２と対称的にドロップポート１２から直進した後、湾曲して下部光導波路２に接近してから、下部光導波路２に平行に所定距離Ｌ直進し、この直進部分で下部光導波路２と上部光導波路層４との結合部１９を形成している。それから、クラッド層５および上部光導波路４ａは、下部光導波路２から離れて、再度元の方に湾曲してから直進してアドポート１４に到るように形成されている。
【００５３】
下部光導波路２と上部光導波路４ａが近接し平行に直進して形成する結合部１９には、回折格子１０が所定の周期Λで所定距離Ｌだけ形成され、これにより結合部１９は後述するように入力ポート１１からの複数の波長からなる光信号を通過させたり、またはドロップさせるフィルタ領域を構成しているものである。この所定距離Ｌを結合長と称する。なお、回折格子１０は、図１（ｂ）に示すように、下部光導波路２と上部光導波路層４との間の導波路分離層３内に所定の周期Λで例えばＩｎＧａＡｓＰからなる複数の棒状部を平行に埋設して形成されたり、または導波路分離層３に接する上部光導波路層４の下面を所定の周期Λで波形状または凹凸状に形成する等して構成されるものである。
【００５４】
入力ポート１１は、下部光導波路２の湾曲した曲がり光導波路を介して結合部１９のフィルタ領域に結合し、該フィルタ領域の下部光導波路２から曲がり光導波路を介してスルーポート１３に接続されている。また、アドポート１４は、上部光導波路４ａの曲がり光導波路からフィルタ領域に結合し、該フィルタ領域から上部光導波路層４の曲がり光導波路を介してドロップポート１２に接続されている。本実施の形態では、ファイバ等外部とのカップリングを容易にするために曲がり導波路を採用したが、一部または全てを直線導波路で代用することも可能であるし、本質的には中央のフィルタ領域のみでも本素子の機能をはたすことができる。
【００５５】
このように構成される光ＡＤＭ素子において、入力ポート１１から挿入されたｍ個の波長λ1 〜λm からなる光信号は、下部光導波路２により結合部１９のフィルタ領域に導かれる。フィルタ領域に導かれた光信号は、該フィルタ領域を構成する回折格子１０によって所定の波長λk の光信号のみが反射され、ドロップポート１２からドロップされ、その他の波長の光信号はフィルタ領域を通過してスルーポート１３から出力される。
【００５６】
更に具体的には、ｎ1 を下部光導波路の実効屈折率、ｎ2 を上部光導波路の実効屈折率とし、ｋを１≦ｋ≦ｍとし、λk をｍ個の波長λ1 〜λm の内の１つを指定するものとすると、回折格子１０の周期Λは次式のように設定される。
Λ＝λk ／（ｎ1 ＋ｎ2 ）
【００５７】
そして、下部光導波路２と上部光導波路４ａとの間隔を適当に設定すると、波長λk のチャネルの光信号のみが回折格子１０で反射されてドロップポート１２から出力され、その他の波長の光信号はフィルタ領域を通過してスルーポート１３から出力される。
【００５８】
回折格子１０からなる波長フィルタは、反射型であるため、狭い半値幅が従来技術の透過型素子よりも短い結合長で実現可能である。例えば、実際のＷＤＭシステムで必要とされる波長間隔は１ｎｍ以下であるが、数値計算によると、これが１ｍｍ以下の結合長Ｌで実現できる。具体的な計算結果を後述する。
【００５９】
また、図１に示す光ＡＤＭ素子において、入力ポート１１からｍ個の波長λ1 〜λm からなる光信号が挿入されている状態において、アドポート１４から波長λk の光信号（図１ではλk ′として示されている）を入力すると、該光信号はフィルタ領域の回折格子１０によって同様に反射され、スルーポート１３から他のチャネルの透過光信号と一緒に出力される。すなわち、図１の光ＡＤＭ素子は波長λk の光信号をドロップ／アドすることができることになる。
【００６０】
更に、回折格子１０の周期Λおよび深さｄ、結合長Ｌを適当に設定することにより、回折格子１０の反射特性の半値幅を調整することができ、波長λk を中心波長とする複数のチャネルをドロップ／アドすることもできる。
【００６１】
図２（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明が原理とする光ＡＤＭ素子の別の構成を示す斜視図および図２（ａ）の線Ａ−Ａ′に沿った断面図である。同図に示す光ＡＤＭ素子は、図１に示した光ＡＤＭ素子において電極を設け、該電極から電流注入または電界印加を行って、光導波路の実効屈折率を可変し、回折格子１０によって選択されるチャネルを容易に変化し得るように構成した点が異なるものであって、その他の構成および作用は図１のものと同じであり、同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００６２】
すなわち、図２に示す光ＡＤＭ素子は、図１のクラッド層５の上にｐ導電性のＩｎＧａＡｓＰからなるキャップ層６が形成され、このキャップ層６の上に更にｐ（正）側電極８が形成されているとともに、また半導体基板１の下側にｎ（負）側電極９が形成されている。なお、ｎ側電極９は半導体基板１の下側に全面的に形成されているのに対して、ｐ側電極８はフィルタ領域を構成している結合部１９に結合長Ｌの長さだけ形成されている。なお、図２に示す構成では、電極から注入される電流が効率良く光導波路に狭窄されるように上部光導波路４ａはリッジ構造とし、下部光導波路２は半絶縁層７を用いた埋込構造としてある。
【００６３】
このように構成される光ＡＤＭ素子は、ｐ側電極８およびｎ側電極９に電流注入または電界印加を行わない状態においては図１の光ＡＤＭ素子と同様に回折格子１０の周期Λ、フィルタ領域の実効屈折率ｎによって決まる波長λの光信号を回折格子１０で反射するが、ｐ側電極８およびｎ側電極９から電流を注入したり、またはｐ側電極８およびｎ側電極９間に電界を印加することにより、フィルタ領域の実効屈折率ｎを変化させることができ、これにより回折格子１０によって反射される光信号の波長λを可変することができる。すなわち、回折格子１０で選択されるチャネルを容易に変化させることができる。
【００６４】
なお、上述した図１および図２の構成では、上部光導波路層４上にクラッド層５を突出して形成したリッジ構造とし、該クラッド層５の真下に対応する上部導波路層４の内部に上部光導波路４ａを形成しているが、このように突出したクラッド層を設けて、上部光導波路４ａを形成する代わりに、上部光導波路層４内に埋め込まれた下部光導波路２のような上部光導波路を形成する埋込構造も可能である。
【００６５】
また、上述した各構成では、光導波路２，４ａが半導体基板１の垂直方向に２つのみ形成され、両者の結合部１９において２つの光導波路２，４ａとが垂直方向において近接して平行に設けられている場合について説明したが、光導波路の数は２つに限定されるものでなく、３つ以上でも可能である。
【００６６】
例えば、３つの光導波路を半導体基板１の垂直方向に配設し、これらの結合部においては第１の光導波路の上に第２の光導波路を近接平行して設け、この第２の光導波路の上に更に第３の光導波路を近接平行して設け、第１および第２の光導波路の間に第１の回折格子を設け、第２の光導波路と第３の光導波路との間に第２の回折格子を設けるように構成することにより、第１および第２の回折格子の周期Λ1 ，Λ2 およびフィルタ領域の実効屈折率によって決まる波長λ1 ，λ2 の光信号をそれぞれ第１および第２の回折格子によって反射し、光信号のドロップ／アドを行うことができる。
【００６７】
また、この場合には、第１、第２および第３の光導波路の外側から図２と同様にｐ側電極、ｎ側電極を形成し、該電極から電流注入または電界印加を行うことにより、第１および第２の回折格子によって選択される光信号の波長を可変することもできる。
【００６８】
次に、図２に示した光ＡＤＭ素子の一具体例の寸法を図３（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示す斜視図および断面図を参照して説明する。
【００６９】
この具体例の光ＡＤＭ素子のチップの全体の大きさは、同図（ａ）に斜視図として示すように、光の進行方向である縦方向の長さが３ｍｍ、横方向の長さが３００μｍである。縦方向の長さ３ｍｍのうち、結合部１９であるフィルタ領域の長さＬは１ｍｍであり、光導波路２，４ａの曲がり導波路部分の長さは結合部１９の両側のそれぞれが５００μｍであり、光導波路のその他の直線部分の長さはそれぞれ５００μｍである。また、光ＡＤＭ素子の横方向の長さ３００μｍのうち、入力ポート１１とドロップポート１２との間の長さは１５０μｍであり、その両側の部分の長さはそれぞれ７５μｍである。
【００７０】
光ＡＤＭ素子の断面の寸法は、図３（ｂ）に示すように、半導体基板１の厚さが１００μｍであり、その上の下部光導波路２を含む半絶縁層７の厚さが０．５μｍであり、導波路分離層３の厚さが０．３μｍであり、上部光導波路層４の厚さが０．５μｍであり、クラッド層５の厚さが１μｍであり、キャップ層の厚さが０．２μｍである。また、クラッド層５の幅は４μｍである。
【００７１】
更に、回折格子１０の周期Λを０．２３６４μｍ、深さｄを０．０３μｍとし、各部を上述した材料で形成し、上述した寸法を有し、更に電極に電流注入を行わない場合、１．５５μｍの波長を反射することができる。数値計算の結果、この構造によると、１ｍｍの結合長の素子において反射スペクトルの３ｄＢ帯域幅０．７ｎｍという狭帯域なフィルタ特性が期待できる。また電極８，９に３００ｍＡの電流を注入すると、波長をおよそ７ｎｍ変化させることができる。
【００７２】
図４（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態に係わる光ＡＤＭ素子の構成をそれぞれ示す平面図および図４（ａ）の線Ｂ−Ｂ′に沿った断面図である。同図に示す光ＡＤＭ素子は、図２に示した光ＡＤＭ素子において回折格子を半導体基板の垂直方向および光の進行方向にそれぞれ複数設けるとともに、更に複数のｐ側電極を設け、これらの複数のｐ側電極への電流注入または電界印加を独立に行えるように構成した点が異なるものであり、その他の構成、材質および作用は図２に示すものと同じであり、同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００７３】
すなわち、図４に示す光ＡＤＭ素子においては、キャップ層６の上に形成されたｐ側電極は、光の進行方向において複数のｐ側電極２７，２８，２９，３０に分割されるとともに、これらの複数のｐ側電極のそれぞれに対応してキャップ層６およびクラッド層５も同様に分割され、これらの分割されたものの間にはそれぞれを電気的に分離するための高抵抗領域３１，３２，３３が形成されている。
【００７４】
また、第１のｐ側電極２７と第２のｐ側電極２８の両方の真下に相当する導波路分離層３内には第１の回折格子３４および第２の回折格子３５が半導体基板１に対して垂直方向に積層して形成され、更に第３のｐ側電極２９と第４のｐ側電極３０の両方の真下に相当する導波路分離層３内には第３の回折格子３６および第４の回折格子３７が半導体基板１に対して垂直方向に積層して形成されている。そして、第１の回折格子３４と第４の回折格子３７とは、導波路分離層３内の上方において光の進行方向に並んで設けられ、また第２の回折格子３５と第３の回折格子３６とは、導波路分離層３内の下方において光の進行方向に並んで設けられている。
【００７５】
なお、第１の回折格子３４、第２の回折格子３５、第３の回折格子３６、第４の回折格子３７は、それぞれ異なる周期Λ1 ，Λ2 ，Λ3 ，Λ4 をもって形成されている。また、第１〜第４のｐ側電極２７〜３０のそれぞれへの注入電流Ｉ1 〜Ｉ4 は、独立に制御できるように構成されている。そして、第１のｐ側電極２７への注入電流Ｉ1 は、その真下に位置する光導波路２，４ａの実効屈折率を変化させ、これにより第１の回折格子３４および第２の回折格子３５の反射特性を変化させ、また第２のｐ側電極２８への注入電流Ｉ2 は同様にして第１の回折格子３４および第２の回折格子３５の反射特性を変化させ、第３のｐ側電極２９への注入電流Ｉ3 は第３の回折格子３６および第４の回折格子３７の反射特性を変化させ、更に第４のｐ側電極３０への注入電流Ｉ4 は第３の回折格子３６および第４の回折格子３７の反射特性を変化させることができ、これにより第１〜第４の回折格子３４〜３７のそれぞれ異なる周期Λ1 〜Λ4 と異なる注入電流Ｉ1 〜Ｉ4 を加えることにより各回折格子はそれぞれ異なる波長の光信号を反射することができる。
【００７６】
次に、図５を参照して、以上のように構成される光ＡＤＭ素子の作用を説明する。
【００７７】
図５（ａ）に示すように、ＷＤＭにおいてチャネル１〜８が配置され、これらのチャネルに対して第１〜第４の回折格子３４〜３７を割り当てるように、チャネル間隔周期Λ1 〜Λ4 、流入電流Ｉ1 〜Ｉ4 を設定することができる。例えば、第１のチャネル（ｃｈ．１）に対しては第１の回折格子３４、第２のチャネル（ｃｈ．２）に対しては第２の回折格子３５、第３のチャネル（ｃｈ．３）に対しては第１の回折格子３４、第４のチャネル（ｃｈ．４）に対しては第２の回折格子３５、第５のチャネル（ｃｈ．５）に対しては第３の回折格子３６、第６のチャネル（ｃｈ．６）に対しては第４の回折格子３７、第７チャネル（ｃｈ．７）に対しては第３の回折格子３６、第８のチャネル（ｃｈ．８）に対しては第４の回折格子３７を割り当てることとする。
【００７８】
具体的に説明すると、第１のｐ側電極２７から適当な量の第１の注入電流Ｉ1 を供給すれば、第１のｐ側電極２７の真下のフィルタ領域の実効屈折率ｎが変化し、この変化した実効屈折率ｎと第１および第２の回折格子３４，３５の周期Λ1 ，Λ2 に基づいて決定され、第１の回折格子３４および第２の回折格子３５がそれぞれ反射する光信号の２つの波長を第１のチャネル（ｃｈ．１）と第２のチャネル（ｃｈ．２）の波長λ1 およびλ2 にそれぞれ等しくなるように設定することにより、第１の回折格子３４および第２の回折格子３５はそれぞれ第１のチャネル（ｃｈ．１）および第２のチャネル（ｃｈ．２）を反射し、ドロップポートからドロップすることができる。
【００７９】
同様にして、第２のｐ側電極２８から第１の注入電流Ｉ1 と異なる第２の注入電流Ｉ2 を供給すれば、第１の回折格子３４および第２の回折格子３５はそれぞれ異なる波長λ3 ，λ4 の第３のチャネル（ｃｈ．３）および第４のチャネル（ｃｈ．４）を反射し、ドロップポートからドロップすることができる。
【００８０】
また同様に、第３のｐ側電極２９から第３の注入電流Ｉ3 を供給すれば、第３の回折格子３６および第４の回折格子３７はそれぞれ異なる波長λ5 ，λ6 の第５のチャネル（ｃｈ．５）および第６のチャネル（ｃｈ．６）を反射し、ドロップポートからドロップすることができる。
【００８１】
更に同様に、第４のｐ側電極３０から第３の注入電流Ｉ3 と異なる第４の注入電流Ｉ4 を供給すれば、第３の回折格子３６および第４の回折格子３７はそれぞれ異なる波長λ7 ，λ8 の第７のチャネル（ｃｈ．７）および第８のチャネル（ｃｈ．８）を反射し、ドロップポートからドロップすることができる。
【００８２】
なお、上記実施形態では、第３および第４の回折格子３６，３７の周期をそれぞれΛ3 およびΛ4 とし、第１および第２の回折格子３４，３５の周期と異なるように設定しているが、第３および第４の回折格子３６，３７の周期Λ3 およびΛ4 を第１および第２の回折格子３４，３５の周期Λ1 およびΛ2 と同じ周期にそれぞれ設定しても、第３および第４の注入電流Ｉ3 およびＩ4 を適切に設定することにより、図５（ａ）で説明したと同様に８チャネルの光信号をアド／ドロップすることが可能である。
【００８３】
また、上述した図５（ａ）に基づいた説明は、各ｐ側電極でそれぞれ対応する２つの回折格子を同時にドロップ状態に制御して、第１〜第８のすべてのチャネルを各回折格子で同時に反射してドロップしている状態であるが、各１つのｐ側電極で２つの回折格子のうちの一方をドロップ状態に制御し、他方をスルー状態に制御することもできる。
【００８４】
具体的には、図５（ａ）で説明した状態において、図５（ｂ）の上部に示すように、第１のｐ側電極２７に供給されている注入電流Ｉ1 を増大すると、この増大変化に応じて該第１のｐ側電極２７に関連する光導波路の実効屈折率ｎが変化し、これにより第１および第２の回折格子３４，３５で反射する光信号の波長も変化する。従って、この注入電流Ｉ1 を第２の回折格子３５の反射特性の中心波長が第１のチャネル（ｃｈ．１）をドロップするまで増大させると、第２のチャネル（ｃｈ．２）はスルー状態になり、第１のチャネル（ｃｈ．１）のみがドロップされることになる。
【００８５】
また、図５（ｂ）の下部に示すように、注入電流Ｉ1 を第２の回折格子３５の反射特性の中心波長が第２のチャネル（ｃｈ．２）をドロップするまで低減すると、第１のチャネル（ｃｈ．１）はスルー状態になり、第２のチャネル（ｃｈ．２）のみがドロップされることになる。更に、第１および第２のチャネル（ｃｈ．１，ｃｈ．２）の両方をスルーにすることも可能である。同様のことは、他のチャネルに対しても可能である。
【００８６】
すなわち、上述したことから、本実施形態の光ＡＤＭ素子は、ｎ本のチャネルのうち任意の８チャネルの光信号をドロップ／アドすることができる。また、より多数のチャネルを有する場合でも同様の手法によりドロップ／アドすることが可能である。
【００８７】
なお、図４に示す実施形態では、回折格子を垂直方向および光の進行方向にそれぞれ２個ずつ設ける場合が示されているが、回折格子の数は２個に限定されるものでなく、複数の回折格子を設けることが可能である。また、本実施形態では、回折格子を垂直方向および光の進行方向の両方向にそれぞれ複数設ける場合が示されているが、回折格子を垂直方向にのみ複数設けたり、または光の進行方向にのみ複数設けるように構成され、それぞれに対して複数の電極を設けるように構成しても同様の効果を達成することは可能である。
【００８８】
また、図６（ａ）に示すように、第１、第２のｐ側電極２７，２８に供給される注入電流Ｉ1 とＩ2 を同一にする（Ｉ1 ＝Ｉ2 ）とともに、両ｐ側電極２７，２８に対応する２つのフィルタ領域の反射により第１のチャネル（ｃｈ．１）のみをドロップしている状態を上述したように設定し、この状態から注入電流Ｉ2 のみを僅かに変化させて（Ｉ1 ≠Ｉ2 ）、同領域による反射特性の中心波長をずらすと、フィルタの結合長は等価的に短くなり、図６（ｂ）に示すように同領域による反射特性の半値幅が広くなる。この作用を利用すると、注入電流Ｉ2 を注入電流Ｉ1 に等しく設定するかまたは注入電流Ｉ1 から僅かに変化させるという注入電流Ｉ2 の変化のみによって第１のチャネル（ｃｈ．１）のみをドロップした状態から第１のチャネル（ｃｈ．１）および第２のチャネル（ｃｈ．２）の両方をドロップする状態に変化させることも可能である。
【００８９】
更に、上述した実施形態において、回折格子の結合の強さを光の進行方向に沿って変化させるように構成することもできる。この回折格子の結合の強さの変化は、例えば隣接する光導波路からなる結合部において光導波路に直交する方向の回折格子の長さを光の進行方向に沿って変化させることにより達成され、このように構成することにより結合部からなるフィルタの特性をシャープにすることができ、サイドローブを小さくすることができる。
【００９０】
また、上述した実施形態では、回折格子における光の反射率は、特に規定せず、例えば入力ポートからの光信号をドロップポートに１００％反射するものとして説明したが、この反射率を可変することも可能である。この反射率の可変は、例えば結合部における光の進行方向での回折格子の形成された領域の長さ、回折格子の深さ、および隣接する光導波路間の距離等を可変することにより可能である。そして、このように回折格子の反射率を可変することにより、複数の波長の中のある特定の波長の光信号のみを最初のノードでは例えば３０％ドロップし、次のノードでも３０％ドロップし、その次のノードでは４０％ドロップするというように複数のノードで利用することが可能である。
【００９１】
図７も、本発明が原理とする光ＡＤＭ素子のさらに他の構造を示す断面図である。同図に示す光ＡＤＭ素子は、図２に示した光ＡＤＭ素子においては下部光導波路２を半絶縁層７の間に挟むように形成したのに対して、半絶縁層７を除去し、この半絶縁層７と下部光導波路２の部分にＩｎＧａＡｓＰからなる下部光導波路層７２を全体的に形成し、この下部光導波路層７２のほぼ中央部を下方に延出して隆起部７２ａを形成し、この隆起部７２ａに対応する下部光導波路層７２の部分に下部光導波路７２ｂを形成しているものであり、その他の構成および作用は図２に示した光ＡＤＭ素子と同じである。
【００９２】
図１〜図７で示した構成では、上部光導波路４ａおよび下部光導波路２の伝搬定数の差については記載していないが、光導波路の伝搬定数が同一である場合には、各ポート間でクロストークが発生することがある。例えば、図１のドロップ動作において、入力ポート１１から入力した光のうちブラッグ波長の光が回折格子１０によって反射されるが、このとき光導波路の伝搬定数が同一である場合には、上部光導波路４ａに結合してドロップポート１２に導かれる以外に入力ポート１１に戻る光もある。また、ブラッグ波長以外の透過光はスルーポート１３に導かれるが、同時にアドポート１４にも導かれるものもあり、これらはクロストークとなって、悪影響を及ぼすことがある。
【００９３】
上述したクロストークは、光導波路の伝搬定数が同一である場合には前記結合長や使用波長などを適切に設定することにより低減できる場合もあるが、結合長や波長が制約を受けるとともに、多波長の光に対して同時にクロストークを低減することは困難である。
【００９４】
すなわち、図７に示すように、厚さｗ1 および屈折率ｎ1 を有する下部光導波路７２ｂの実効屈折率および伝搬定数をそれぞれｎeff1およびβ1 とし、厚さｗ2 および屈折率ｎ2 を有する上部光導波路４ａの実効屈折率および伝搬定数をそれぞれｎeff2およびβ2 とし、この各光導波路の実効屈折率にｎeff1＜ｎeff2の関係があるとすると、各光導波路の伝搬定数もβ1 ＜β2 となる。
【００９５】
光の波長をλ、回折格子１０の周期をΛとすると、次に示すブラッグ条件：
【数１】
β1 ＋β2 ＝２π・ｎeff1／λ＋２π・ｎeff2／λ＝２π／Λ
を満たす波長λが回折格子１０を介した下部光導波路７２ｂと上部光導波路４ａの逆方向結合のブラッグ波長であり、ドロップ動作では入力ポート１１から入射した光のうち波長λの光がドロップポート１２に導かれる。
【００９６】
波長λは、下部光導波路７２ｂと上部光導波路４ａの間の逆方向結合のブラッグ条件を満たしているものであり、同一の光導波路内での逆方向結合に関してはブラッグ条件から大きく外れることになるためにほとんど起こることがない。従って入力ポート１１から入力ポート１１に戻る波長λの光はほとんど存在しなくなる。アド動作においても同様である。また、２β1 ＝２×２π・ｎeff1／λ′＝２π／Λ，２β2 ＝２×２π・ｎeff2／λ″＝２π／Λ（同一の光導波路内での逆方向結合に関するブラッグ条件）を満足するλと異なる波長であるλ′，λ″も存在するが、β1 とβ2 の差を適当に大きくとることで、使用帯域外に押しやるように設定することが可能である。
【００９７】
一方、２本の光導波路が近接して存在する場合には、回折格子の存在に関係なく、同方向結合が生じ、光が下部光導波路７２ｂから上部光導波路４ａへ、また下部光導波路７２ｂへというように両導波路間を行ったり来たりする。
【００９８】
入力光パワーを１とすると、両光導波路間を行き来する光の割合Ｆは、次式で表される。
Ｆ＝１／｛１＋（Δ／ｋ）2 ｝
ここで、Δは両光導波路間の伝搬定数の差を表し、Δ＝（β1 −β2 ）／２である。ｋは結合係数であり、両光導波路間のスペース層である導波路分離層３の厚さｄと伝搬する光の界分布によって主に決まる。ここで、両光導波路の伝搬定数が同じである場合、すなわち両伝搬定数の差Δ＝０である場合には、結合係数ｋの大小に関係なく、割合Ｆ＝１となり、結合長Ｌによっては入力した透過光のすべての光が他方の光導波路に移ってしまうことにもなる。
【００９９】
一方、両光導波路の伝搬定数の差Δを大きくすると、両光導波路間を行き来する光の割合Ｆは小さくなる。すなわち、両光導波路の伝搬定数の差が大きくなればなる程、クロストークを低減することができる。そして、伝搬定数は、上述したように、光導波路の厚さ、組成（屈折率）、構造を変えることにより変化させることができる。
【０１００】
このように、図７に示す構成では、上部光導波路４ａと下部光導波路７２ｂの伝搬定数を異なるように設定し、これにより上述したクロストークを全波長に対して同時に低減するとともに、またクロストークの度合いの結合長に対する依存度も小さくし、素子設計の自由度を増大するようにしている。
【０１０１】
光導波路の伝搬定数は、各光導波路の厚さ、組成（屈折率）、構造を変えることにより変化させることができる。
【０１０２】
図７を参照して、具体的な伝搬定数の差について説明する。図７に示すように、下部光導波路７２ｂと上部光導波路４ａとの間の導波路分離層３の厚さをｓとし、下部光導波路層７２の厚さをｂとした場合において、例えば、波長１．５５μｍのＴＥＯモードの光に対して、ｗ1 ＝０．８μｍ，ｎ1 ＝３．３８５，ｗ2 ＝０．５μｍ，ｎ2 ＝３．３１０，ｓ＝０．８μｍ，ｂ＝０．３５μｍ，結合長Ｌ＝３．０ｍｍ、回折格子１０の深さｄ＝０．０５μｍとした時、両光導波路間を行き来する光の割合Ｆは０．００３３、反射率は１、半値全幅は３Åとなる。また、波長１．５５μｍの光のうち入力ポート１１から入力された光が入力ポート１１に逆行するものはほとんどなくなる。なお、この場合の両光導波路の伝搬定数の差は、約３％である。
【０１０３】
両光導波路の伝搬定数にどれくらいの差を与えるかについては、使用波長範囲、波長数、素子の大きさの制限などにより決定されるべきものであるが、０．５〜１０％程度が適当であると考えられる。
【０１０４】
なお、上記構成では、下部光導波路７２ｂと上部光導波路４ａとは異なる構造のものとなっているが、両光導波路は同じ構造のものでもよく、任意の組合せのもので実現することができる。
【０１０５】
また、上述した実施形態や原理構成において、光導波および電流狭窄構造については、Ｆｅ−ＩｎＰを用いた埋込構造の他、ｐ−ｎ逆接合による埋込構造、リッジ構造などのあらゆる導波構造が適用可能であり、また光導波路には超格子導波路も適用可能である。半導体材料については上述したＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の他に、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの他の半導体材料も適用可能である。
【０１０６】
また、本構造は、ＳｉＯ2 ／Ｓｉ，ＳｉＯ2 −ＧｅＯ2 ／Ｓｉ等の半導体以外の導波路構造によっても実現可能であり、熱光学効果等の使用導波路に適した屈折率変化機構によりチューニング機能も実現できる。
【０１０８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体基板の垂直方向に所定間隔をあけて積層された複数の光導波路の各隣接した光導波路の一方へ入力される光信号のうち所定の波長の光信号を回折格子により他方の光導波路に反射する場合において電極構造から電流注入または電界印加を行うことにより回折格子で反射される光信号の波長を可変することができ、且つ隣接する光導波路の間には導波路分離層が形成され、前記回折格子は、前記導波路分離層内に光の進行方向に沿って所定の周期で複数の棒状部が互いにほぼ並行に並設して構成された構成を有るとともに、前記結合部において前記半導体基板の垂直方向にそれぞれ異なる周期をもって複数形成され、該複数の回折格子の各々によって異なる波長の光信号を反射または通過させるべく該複数の回折格子の各々に対して前記電極構造から前記電流注入または電界印加を個別または同時に行うことができるので、ドロップ／アドし得る光信号の波長を電流注入または電界印加により任意に可変することができる光ＡＤＭ素子を簡単かつ小型な構造で高い信頼性をもって提供することができ、回線需要の変化に柔軟に対応できるとともに非常事態時のレストレーションにも有用である動的なＷＤＭネットワークの構築が容易になる。また、ＷＤＭネットワークのフレキシビリティを飛躍的に向上することができる。
【０１１０】
本発明において、結合部に接続されている少なくとも一方の光導波路を湾曲させて形成するようにすれば、ファイバ等の外部とのカップリングを容易にすることができる。
【０１１１】
また、本発明において、回折格子の結合の強さを光の進行方向に沿って変化させるようにすれば、結合部からなるフィルタの特性をシャープにし、サイドローブを小さくすることができる。
【０１１２】
更に、本発明において、複数の光導波路のうち少なくとも１本の光導波路の伝搬定数を他の光導波路のものと異ならせたり、または複数の光導波路の各伝搬定数を互いに異ならせることにより、各光導波路間のクロストークを低減することができ、非常に狭帯域なフィルタ特性を有する光ＡＤＭ素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明が原理とする光アド／ドロップ多重素子の構成を示す斜視図および断面図である。
【図２】 本発明が原理とする光アド／ドロップ多重素子の別の構成を示す斜視図および断面図である。
【図３】 図２に示した光アド／ドロップ多重素子の一具体例の寸法をそれぞれ示す斜視図および断面図である。
【図４】 本発明の実施形態に係わる光アド／ドロップ多重素子の構成をそれぞれ示す斜視図および断面図である。
【図５】 図４に示す光アド／ドロップ多重素子の作用を示す図である。
【図６】 図４に示す光アド／ドロップ多重素子の別の作用を示す図である。
【図７】 本発明が原理とする光アド／ドロップ多重素子のさらに別の構成を示す断面図である。
【図８】 光アド／ドロップ多重素子の概念を示す図である。
【図９】 ファイバグレーティングおよび光サーキュレータを組み合わせた従来の光アド／ドロップ多重素子の構成を示す図である。
【図１０】 R.C.Alferness らによる従来の方向性結合器型フィルタを示す図である。
【図１１】 J.-P.Weberらによるノッチフィルタを示す図である。
Claims (3)
- 半導体基板の垂直方向に各々所定の間隔をあけて積層して形成され、隣接するもの同士の少なくとも一部が互いに平行かつ近接して配設され、該平行近接部で前記隣接するもの同士間の結合部を形成している複数の光導波路と、
光の進行方向に沿って所定の周期で前記結合部に形成され、該結合部を形成する前記隣接した光導波路の一方へ入力される光信号のうち所定の波長の光信号を前記隣接した光導波路の他方に反射する回折格子と、
前記結合部の回折格子で反射し得る光信号の波長を可変させるべく前記結合部に電流注入または電界印加を行い得るように前記結合部を構成する前記隣接光導波路の垂直方向の両側に配設された電極構造とを有し、
前記隣接する光導波路の間には導波路分離層が形成され、前記回折格子は、前記導波路分離層内に光の進行方向に沿って所定の周期で複数の棒状部が互いにほぼ並行に並設された構成を有するとともに、前記結合部において前記半導体基板の垂直方向にそれぞれ異なる周期をもって複数形成され、該複数の回折格子の各々によって異なる波長の光信号を反射または通過させるべく該複数の回折格子の各々に対して前記電極構造から前記電流注入または電界印加を個別または同時に行うことができることを特徴とする光アド／ドロップ多重素子。 - 前記電極構造は、前記複数の回折格子に対して光の進行方向にそれぞれ独立に形成された複数の電極構造を有し、該複数の電極構造の各々から前記複数の回折格子の各々に対して前記電流注入または電界印加を個別または同時に行うことができることを特徴とする請求項１記載の光アド／ドロップ多重素子。
- 半導体基板の垂直方向に各々所定の間隔をあけて積層して形成され、隣接するもの同士の少なくとも一部が互いに平行かつ近接して配設され、該平行近接部で前記隣接するもの同士間の結合部を形成している複数の光導波路と、
光の進行方向に沿って所定の周期で前記結合部に形成され、該結合部を形成する前記隣接した光導波路の一方へ入力される光信号のうち所定の波長の光信号を 前記隣接した光導波路の他方に反射する回折格子と、
前記結合部の回折格子で反射し得る光信号の波長を可変させるべく前記結合部に電流注入または電界印加を行い得るように前記結合部を構成する前記隣接光導波路の垂直方向の両側に配設された電極構造とを有し、
前記隣接する光導波路の間には導波路分離層が形成され、前記回折格子は、前記導波路分離層内に光の進行方向に沿って所定の周期で複数の棒状部が互いにほぼ並行に並設された構成を有するとともに、前記結合部において前記半導体基板の垂直方向および光の進行方向にそれぞれ異なる周期をもって複数形成され、前記電極構造は、該複数の回折格子に対して光の進行方向にそれぞれ独立に形成された複数の電極構造を有し、前記複数の回折格子の各々によって異なる波長の光信号を反射または通過させるべく前記複数の電極構造から前記複数の回折格子に対して前記電流注入または電界印加を個別または同時に行うことができることを特徴とする光アド／ドロップ多重素子。
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