JP3943615B2

JP3943615B2 - 光回路素子およびそれを用いた集積型光回路装置

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Publication number: JP3943615B2
Application number: JP28717695A
Authority: JP
Inventors: 秀典河西; 淳下中
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-11-06
Filing date: 1995-11-06
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2015-11-06
Also published as: JPH09127349A; US5825952A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信、光情報処理、光センサ等に利用できる光回路素子、特に光の分岐器を有する光回路素子と、それを用いた集積型光回路素子ならびに集積型光回路装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光分岐素子として提案されているものを図１７に示す（特開平４−１５１８８６参照）。この素子は入力側の導波路１０００を導波する光を出力側の２つの導波路１００１、及び１００３に分岐するものであり、スリット状に加工された溝１００５が全反射鏡として用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来例は、光分岐部の光の界分布と出力側の導波路の固有モードとの整合が悪いため、光分岐部から出力側の導波路に至る間に顕著なモード変換損失が存在するという欠点を有している。
【０００４】
図１８に光分岐部（Beam Splitter：ＢＳ）入射前、及びＢＳ直後の導波光の界分布を模式的に示す。これよりわかるようにＢＳ直後の導波光の界分布は対称性が欠如（図中、黒い部分は光がなくなっていることを示してる。）し、出力側の導波路の固有モード（ＢＳ入射前の導波光の界分布と同じ）とはモード整合性が悪い。我々は、２つの出力側導波路において上記モード変換に起因する損失が各々約５０％存在することを実験によって確認している。微小な光を用いて情報処理を行う場合この損失は致命的である。
【０００５】
本発明は、この光分岐部における損失を最小限に抑えることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を実現するために、本発明の光分岐器では光分岐部に或る反射率を有する部位を複数個配置したものである。
【０００７】
また、上記モード変換に起因する損失を軽減するために、出力側の光導波路の中心軸を入力側の光導波路の中心軸と所定の距離だけずらすか、または出力側光導波路の幅を連続的、または段階的に変化させたものである。
【０００８】
即ち、請求項１に記載の光回路素子は、光導波路に導波光を全反射する溝を形成することによって、該光導波路を導波する光を２つの出力側導波路に所望の分岐比にて分岐する光回路素子において、前記溝は複数の溝で形成され、かつ、前記複数の溝が同一入力導波路に導かれた前記導波光を同一方向に反射するように形成されて１つの分岐器を成すことを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２に記載の光回路素子は、前記溝が、分岐された導波光の界分布に対称性が存在するように形成されたことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３に記載の光回路素子は、前記溝が、その幅が前記光導波路内を導波する光の波長の１０分の１以上となる個数以下となるよう非溝形成領域が複数形成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４に記載の光回路素子は、前記溝が、その形成領域が溝上方からみてほぼ一直線の形状に形成されてなることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項５に記載の光回路素子は、前記溝が、その形成領域が溝上方からみてほぼ三角形状に形成されてなることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項６に記載の光回路素子は、前記溝が、その深さが入射側導波路を導波する光の垂直方向の界分布のピークを越して深く形成されてなることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項７に記載の集積型光回路装置は、光回路素子を備えた集積型光回路装置において、前記光回路素子の入射側光導波路が複数個あって、それぞれの入射側光導波路に対応して１つずつ配置される入射光発振源は、複数種類であることを特徴とするものである。
【００２０】
本願発明の作用を以下に説明する。
【００２１】
上記のように、光分岐部に或る反射率を有する部位を複数個配置すると、その部位の数が多くなればなるほど光分岐部の光の界分布と出力側の導波路の固有モードとの整合が良くなり、光分岐部から出力側の導波路に至る間のモード変換損失が小さくなる。
【００２２】
更には、出力側の光導波路の中心軸を入力側の光導波路の中心軸より所定の距離だけずらすことにより、やはり光分岐部の光の界分布と出力側の導波路の固有モードとの整合が良くなり、光分岐部から出力側の導波路に至る間のモード変換損失が小さくなる。または、出力側導波路の幅を連続的、または段階的に変化させることにより導波路間の光結合損失を抑えることができる。
【００２３】
【実施例】
次に本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２４】
（実施例１）
図１は本発明を光コヒーレント処理に用いた場合の光回路素子の一例で、より具体的にはワイヤレス光伝送システムの受信器中の光コヒーレント検波器を構成する導波路型光合波器の斜視図である。システムの詳細については本出願人が既に出願した特開平６−１１２９０４に述べられているので、ここでは簡単に検波器の機能を説明するにとどめる。この検波器は受信した信号光と局部発振光を合波して出力する機能を有する。局部発振光には局部発振器として受信器内に搭載された半導体レーザ（図示せず）の出力光が用いられる。信号光には伝達すべき情報が例えば周波数変調（ＦＭ）された形で含まれているため、局部発振光の周波数を送信光の基準周波数と同調させておけば検波器の出力には信号光と局部発振光のビートとして情報が取り出せることになる。
【００２５】
図１の光合波器はＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の半導体導波路で作製され、リッジ導波路が２本直交した構成をとっている。２本の導波路の交差部位には２本の導波路の長手方向とそれぞれ４５°の角度をなす深い溝１０５が２個形成され、この部位が本発明の光分岐器（Beam Splitter：ＢＳ）として機能する。送信器より発せられた信号光は空間を伝搬して受信器に達するが、受信器内のレンズ（図示せず）を用いて光合波器の２個の入力導波路の一方である導波路１００に導かれる。信号光は導波路１００を伝搬してＢＳに到達する。ここで光は２つに分岐され、それぞれが出力側の導波路１０３、１０４に導かれて端面より出射される。局部発振器より発せられた局部発振光は同様にレンズ（図示せず）を用いて光合波器の他方の入力導波路１０１に導かれる。局部発振光は導波路１０１を伝搬し、信号光と同様にＢＳで２つに分岐され、それぞれ出力側の導波路１０３、１０４に導かれて端面より出射される。以上のことより、出力側の導波路１０３、１０４には信号光の一部と局部発振光の一部が合波されたものが出力されることになる。従って、その出力光をフォトダイオード等で光電変換し、その中のビート信号を検出すれば求める情報が得られるわけである。
【００２６】
次に、この光分岐器の作製方法について述べる。まず、ＧａＡｓ基板１０６上に１μｍ厚のＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第１光閉じ込め層１０７、０．３μｍ厚のＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ光導波層１０８、０．５μｍ厚のＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第２光閉じ込め層１０９、３ｎｍ厚のＧａＡｓエッチストップ層１１０、０．５μｍ厚のＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第３光閉じ込め層１１１、５０ｎｍ厚のＧａＡｓ表面保護層１１２を分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により成長させた。
【００２７】
その後、十字形状のリッジ導波路を形成するために、ウエファ上に通常のフォトリソグラフィによって２μｍ幅のレジストパターンを形成した。パターンは硫酸系のエッチャントによる第３光閉じ込め層１１１の途中までのエッチングとフッ酸による選択エッチングでウエファに転写した。ここでフッ酸はＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ（第３光閉じ込め層１１１）のみをエッチングし、ＧａＡｓ（エッチストップ層１１０）はエッチングしないため、エッチングは、ＧａＡｓエッチストップ層１１０表面で停止した。有機溶剤によってレジストを剥離した後、再度表面にレジストを塗布した。ここではレジストの塗布と１５０℃のベーキングという工程を２回繰り返すことにより、リッジの有る部分と無い部分とで表面に段差のない平坦なレジスト（下部レジスト）が形成できた。次に、その上にスピナーを用いてＳＯＧ（Ｓpin-Ｏn-Ｇlass）膜を１０００Å形成し、２００℃のベーキングを施した。その上に再度レジスト膜（上部レジスト）を形成し、通常のフォトリソグラフィで深い溝１０５をエッチングするための幅２μｍ、長さ０．５μｍのパターンを１．２μｍ間隔で２個形成した。このパターンはＣＦ₄を用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によってＳＯＧ膜に転写し、それを更にＯ₂を用いたＲＩＥで下部レジストに転写した。以上に述べた”３層レジストプロセス”で表面の段差があるにもかかわらず、段差の上下にわたって所望の形状のパターンが形成できた。このレジストパターンをマスクとして塩素ガスとアルゴンのイオンビームを同時に基板に照射するＣＡＩＢＥ（Chemically Assisted Ion Beam Etching）にて基板に転写した。ここでのエッチング深さは３．５μｍとした。このプロセスの詳細については例えばＧｅｉｓら（J. Vac. Sci. Technol. 19, 1390 (1981).）或いはＳｃｈｅｒｅｒら（Appl. Phys. Lett. 55, 2724 (1989).）に詳しいが、垂直断面を有するエッチングが実現できた。その後、ＲＩＥを用いて３層レジストを除去して光分岐器が完成した。
【００２８】
ここでのエッチング深さは３．５μｍとした。
【００２９】
本実施例のように光の界分布のピークをこえて深い溝を形成することにより、その領域における光の透過は無視できることになり、マスクパターンのみで規定される光の分岐比が得られる。
【００３０】
続いて、光分岐器（ＢＳ）の動作を図２、３、４を用いて詳細に説明する。図２は図１を上面より見た図で、図中の番号は図１と一致させてある。信号光、局部発振光ともに基本的な挙動は同じであるため、ここでは信号光についてのみ説明する。ここでは信号光として７８０ｎｍ帯のレーザ光を用いた。導波路中の信号光の水平方向（導波路の各層に平行な方向）の光強度分布を図３に模式的に示す。入力導波路１００は単一横モード導波路であるため、入力導波路１００に導かれた信号光はその導波路内Ａ−Ａ’では図に示すように導波路１００の基本固有モードで伝搬した。レンズ（図示せず）を用いて導波路１００の入り口端面に集光されたときの光の界分布は導波路の固有モードとは必ずしも一致しないが、導波路を伝搬する間に固有モードに変換されてＢＳに入射した。ここで、ＢＳ部の深い溝１０５の内部は空気で満たされており、その屈折率は１である。一方導波路部分で導波光が感じる等価屈折率は約３．５と大きいため、導波路１００を伝搬してきた光の界分布の一部は、ＢＳの深い溝１０５によって全反射された。
【００３１】
深い溝１０５の存在しない領域の光はその影響を受けないため、そのまま導波路中を直進した。即ち、ここで導波光は空間的に２つに分解され、一方は直進して導波路１０３に至り、他方はその進路を９０°曲げられて導波路１０４に導かれる。その光の水平方向の界分布が導波光が進むにつれて変化していく様子も同図に示されている。ＢＳで横モードの一部のみが取り出された導波光は、それぞれの導波路１０３、１０４を導波していく間に基本モードに変換され、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’に至るときには双方が基本モードに変換されているのがわかる。以上の結果は導波路を、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’等導波路の途中の位置でへき開し、そこでの光の界分布を顕微鏡で拡大して観察することにより確認した。この場合のＢＳ直後の２つの光の界分布をＢＳ入射前の光の界分布と比較して示したのが図４である。従来例の図１８と比較すると、ＢＳ直後の導波光の界分布には対称性が存在し、出力側の導波路の基本モードとの整合が向上していることがわかる。実際、この場合のモード変換損失を測定してみたところ、従来例の約５０％と比較して約２０％まで向上した。
【００３２】
（実施例２）
図５、６は本発明の他の実施例を示す図で、導波光を全反射する深い溝の数をさらに増加させた場合である。本実施例では用いる光の波長を１．５５μｍ帯としたため、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いて検討した。層構造については実施例１に類似しているため、ここでは図示はしていない。作製手順は以下のとおりである。まず、ＩｎＰ基板上に１μｍ厚のＩｎＰ第１光閉じ込め層、０．２μｍ厚のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）光導波層、1μｍ厚のＩｎＰ第２光閉じ込め層を有機金属熱分解（ＭＯＣＶＤ）法により成長させた。ここではＭＱＷ層として８０ÅのＩｎＧａＡｓウエル層、１５０ÅのＩｎＧａＡｓＰバリア層（１．１５μｍ組成）、ウエル数は４とした。
【００３３】
次に、プラズマＣＶＤ法を用いてウエファ表面に、ＳｉＯ₂ 膜を２０００Åの厚さで形成した。その上に電子ビーム露光用のレジストを１μｍ塗布し、電子ビームを用いて深い溝２０５を形成するためのマスクパターンをレジスト上に形成した。ここでは図に示すように反射部を多数形成するため、それぞれの反射部は長さは０．５μｍ、幅が０．３μｍで０．６μｍピッチとした。このパターンはＣＦ₄を用いたＲＩＥでＳｉＯ₂膜に転写され、さらに塩素ガスとアルゴンの混合ガスを用いたＲＩＢＥ（Ｒeactive Ｉon Ｂeam Ｅtching）によってウエファに転写した。エッチング深さは３μｍで、この場合も実施例1と同様垂直断面を有し、かつ表面が平滑なエッチングが実現できた。
【００３４】
その後、十字形状のリッジ導波路を形成するために、ウエファ上に通常のフォトリソグラフィによってレジストパターンを形成した。この場合、ウエファ表面の凹凸の存在はレジストパターンにはほとんど影響しなかった。これは個々のエッチング領域が非常に小さい面積であるため、すぐにレジストで埋め込まれてしまったためと思われる。リッジ導波路の幅は５μｍとしたため、高次モードの存在するマルチモード導波路となった。パターンは通常のアライナを用いて位置合わせを行った。アライナの位置合わせ精度は1μｍであった。パターンは深い溝２０５を形成したときと同じＲＩＢＥを用いたが、ここではエッチングＭＱＷ光導波層の上０．２μｍで停止させた。エッチング深さはＲＩＢＥ装置のイオン引き出し電極に流れる電流をモニタしながらエッチングを行うことで制御した。この電流は実際に基板に照射されるイオン電流密度に比例する。エッチング深さはイオン電流密度、ガス圧力、チャンバの真空度、イオン引き出し電圧によってきまる。ガス圧力、チャンバの真空度、イオン引き出し電圧は直接観察できる。イオン電流密度は直接はモニタできないが、イオン引き出し電極に流れる電流をモニタすることによってエッチング深さを±０．０４μｍの精度で制御することができ、光分岐器が完成した。
【００３５】
続いて、光分岐器（ＢＳ）の動作を図６を用いて詳細に説明する。実施例１と同様に、信号光についてのみ説明するが、局部発振光についても基本動作は同じである。入力導波路２００はマルチモード導波路であるが、入力導波路２００に導かれた信号光は基本横モードで導波路に侵入するため、導波路内ではその基本固有モードで伝搬した。ＢＳによって光が２個に分割される機構についても実施例１と同じであるが、この場合のＢＳ直後の２つの光の界分布をＢＳ入射前の光の界分布と比較して示したのが図６である。この場合、実施例１よりもさらに出力側の導波路の基本モードとの整合が向上していることがわかる。実際、この場合のモード変換損失を測定してみたところ、従来例の約５０％、実施例１の約２０％と比較し、約５％まで向上した。
【００３６】
また、深い溝２０５の位置が約０．５μｍ所定の位置よりずれたが、それに起因すると思われる分岐比の変動は約１％であった。深い溝２０５の形成領域を、導波路の幅５μｍより十分に広く取っていることにより、このずれの影響が吸収されたものと考えられる。これは従来例の２５％と比較すると非常に小さいものであり、本特許の有効性が実証された。
【００３７】
従来例において、次のような問題が生じる。
【００３８】
光反射部が導波路中で光を反射させる面積の導波光全体の断面積に占める割合いが光の分岐比を決定するため、スリット状に加工された溝１００５を形成する位置がずれるとそれが分岐比の変動につながり、素子の歩留まりを低下させる原因となる。
【００３９】
また、例えば３μｍ幅の光導波路に上記光分岐部を形成した場合、スリット状に加工された溝１００５の位置が０．５μｍずれると分岐比は３：７となってしまう。用途によっては分岐比として厳密に１：１（例えば許容誤差1％以内）が要求されることも考えられ、その場合にはこの構造では対応不可能である。光導波路はリッジ導波路とすればその形成の際のエッチング深さはスリット状に加工された溝１００５のエッチング深さより浅いため、両者は同時に形成することができず、２回以上のフォトリソグラフィの工程を経ることになる。マスク合わせによる位置合わせの精度は通常のアライナを用いた場合、０．８〜１μｍ、ステッパを用いても０．２μｍ程度が限界であり、許容誤差１％以内で１：１の分岐比を実現することは現在のフォトリソグラフィ技術では不可能である。高精度のアライメントをする方法としては電子ビームリソグラフィを用いる方法も考えられる。この場合０．１μｍ、或いはそれ以上の精度での位置合わせは可能である。ただし、それには光干渉計のような高価な位置ぎめ装置を用いる必要があり、生産方法としては現実的でない。
【００４０】
本実施例によれば、マスクパターンによって、分岐比を許容誤差１％以内で１：１或いはある所望の値に制御することが可能である。
【００４１】
また、位置ずれに対する分岐比の変動が小さくなり、厳密な位置合わせ精度が要求されなくなる。
【００４２】
即ち、素子作成時の位置合わせ精度に対する結合効率の変動の小さい素子を作成することができる。
【００４３】
本実施例における溝の数は２個以上で、溝の幅が導波路内の光の波長の１０分の１以上となる個数以下であれば、本発明の効果が得られることがわかった。
【００４４】
ここで、深い溝２０５の深さが十分でなく、光の垂直方向の界分布のピークよりも浅いときにはその領域においてもＢＳを透過する光の成分が存在し、分岐比に影響を与える。従って、深い溝１０５は光の垂直方向の界分布のピークをこえて十分に深く形成しておくのが望ましい。本実施例の場合、この条件は満たされており、ＢＳ入射前の横方向の導波光の広がりに対して、深い溝によって分割されたときのそれぞれの光の幅（ここでは０．３μｍ）は十分に小さく、光の分岐比は深い溝の存在する領域の全体に対する割合（ここでは５０％）によって厳密に規定される。この値を変化させると分岐比も任意に変化させることが可能である。
【００４５】
（実施例３）
図７は本発明の光回路素子の他の実施例を示す図で、導波光を全反射する深い溝の形を変化させたものである。本実施例では用いる光の波長を７８０ｎｍ帯としたが、導波路としては、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂を用いた。層構造については実施例１に類似しており、プラズマＣＶＤ法で形成した。それぞれの厚さは、ＳｉＮ光導波層０．３μｍ、ＳｉＯ₂光閉じ込め層１μｍである。作製手順は実施例１とほぼ同じであるが、エッチングにはＣＦ₄のＲＩＥを用いた。この場合もモード変換損失の低減、分岐比の変動等は小さく、良好な特性が実現できた。
【００４６】
（実施例４）
本発明第４の実施例を図８を用いて説明する。本実施例は先の実施例１にて説明した方法により作製したもので、垂直方向の光閉じ込めのための光導波層６０４と幅がそれぞれ４μｍの導波路６０１、６０２、６０３と、反射面６０５と、それに沿った溝６０６からなる。溝６０６は先の実施例１にて説明したＣＡＩＢＥ法により作製され、反射面に沿って光の垂直方向の界分布のピークを越えて十分に深く形成することが望ましい。導波路６０１、６０２、６０３はその中心軸が１．５μｍ程度ずれて配設されている。反射面６０５は導波路６０３を伝搬する光を半分だけ透過させ、残り半分を９０度進行方向を変えるように働き、それぞれ導波路６０１、６０２へと導く。
【００４７】
この素子の特徴について説明する。この素子は光分岐器であり、導波路６０３を伝搬する光を導波路６０２と６０１へと分割するものである。この時、導波路６０１に入射した光の電界分布は図１８に示されるように、半分だけの電界が入射することになる。ここで導波路６０１の中心を電界の存在する方へ約１．５μｍ程度ずらすことにより、導波路６０３と導波路６０１の結合効率を５６％改善することができた。導波路６０３から６０２への結合も同様に改善された。本出願人らは導波路中心のずれの大きさと結合効率を詳細に調べ、その結果入力側導波路の幅（これは入力ビームの拡がりと密接な関係がある。）の約２０〜５０％程度のずれを設けることにより結合効率を従来例の４８％から７５％にまで改善することができたものである（図１１参照）。
【００４８】
（実施例５）
本発明の別の実施例につき説明する。図９は２×２の光合分岐器を示す。この合分岐器はとりわけコヒーレント処理を用いた光波検出に効力を発揮する。
【００４９】
光の入力導波路は７０１と７０３でありその幅は４μｍの単一モード導波路である。この導波路を伝搬し、ＢＳ７０５により分岐された光が導波路７０２、７０４より取り出せる。この時、導波路７０１より導波路７０４へと進行する光波の結合効率を向上させるためには、先の実施例４に説明したように、導波路７０４と導波路７０１の中心軸を、図９にて導波路７０４を左方向へ、一定距離ずらせば良い。しかしながら、この場合、導波路７０３から導波路７０４へと進行する光波の結合効率は、著しく劣化することになる。本実施例では、導波路７０２、７０４の中心軸を導波路７０１、７０３の交差部の中心に対して一定距離ずらすと共に、導波路７０２と導波路７０４のＢＳ部にテーパ構造を設けたものである。
【００５０】
本実施例を光コヒーレント処理用光回路素子として用いた場合について説明する。外部より導かれた信号光は導波路７０１中を伝搬し、ＢＳ７０５により導波路７０２と７０４へと分割される。一方、局部発振光は導波路７０３端面に突き合わせ接合された半導体レーザ（図示せず）より導波路７０３へと入射する。局部発振光も同じくＢＳ７０５により導波路７０２、７０４へと導かれる。導波路７０２、７０４からの出力光は何れも受光素子にて、ビート信号として検出される。ビート信号の雑音を減少させる目的においても信号光と局部発振光のパワーの比は１：１に近いものが望ましい。また、それぞれの受光素子で検出されたビート信号は同相の雑音を減少させるためバランス受信される。この時、ＢＳの分割比は出来るだけ１：１に近いものがよい。本実施例では、導波路７０２と、導波路７０４を、図９に示すように、導波路７０２を下方へ、導波路７０４を左方へずらして配したことにより信号光の導波路７０２、７０４への結合効率を大きくし、一方で、局部発振光の導波路７０２、７０４への結合効率を抑さえ、雑音の少ないビート信号を得ることができた。更に加えて、導波路７０２、７０４はそのＢＳの接合部が幅８μｍと広くなっており、連続的にその幅が変化するテーパ構造となっている。これにより、ＢＳ部を形成する溝７０５の作製精度が劣化した場合でも、導波路７０２、７０４への結合効率、分岐比に大きな変化が生じず、素子の歩留り向上となる。
【００５１】
図９では模式的に描かれているが、導波路７０２、７０４のテーパ部分の幅８μｍ、長さ５００μｍであり、テーパによるモード変換損失が充分小さくなるようなテーパ長の素子を試作した。
【００５２】
（実施例６）
本発明第５の実施例に示した光回路素子を用いた集積型光回路装置の例を図１０に示す。図１０は光コヒーレント検波用集積型光回路装置である。ここでは図９と同じ図番号を用いている。図１０で導波路７０３の端面にはＤＦＢレーザ７０７が突き合わせ接合され、局部発振光は導波路７０３へと導かれる。一方信号光は光ファイバー７０９を伝送し、その出射端面からレンズ７０８を通じて導波路７０１の端面へと集光する。この時、レンズ７０８が作る集光点での光の分布を導波路７０１の近視野像とほぼ一致させておく。
【００５３】
結果、信号光は導波路７０１を、局部発振光は導波路７０３を伝搬し、溝７０５により導波路７０２、７０４へと分割される。導波路７０２、７０４の端面には受光素子（図示せず）が配置してあり、それぞれでコヒーレント検波される。この時、それぞれの受光素子で発生する局部発振光と自然放出光との雑音はバランス受信することにより取り除くことができる。本実施例では信号光を効率良く検出する事ができ、かつ、分割比が溝７０５の形成時のプロセスの制御性に大きく依存しない光コヒーレント検波装置を作製した。
【００５４】
（実施例７）
本発明の別の実施例を述べる。図１３に示されるようにＧａＡｓ基板９１１上に、ＡｌＧａＡｓを材料としてエッチストップ層９１２、光閉じ込め層９１３、光導波層９１４、光閉じ込め層９１５、エッチストップ層９１６、さらに光閉じ込め層９１７を順次積層する。その後、エッチングにより面Ｂ−Ｂ’が表出するようにし、エッチストップ層９１２でエッチングを停止する。その後、光閉じ込め層９２１、光導波層９２２、光閉じ込め層９２３、エッチストップ層９２４、光閉じ込め層９２５を順次積層する。これらの結晶成長においては、光導波層９１４、９２２は同じ厚さ０．８μｍで、層９２２が層９１４に対して０．４μｍだけ上に作製される様に行なう。加えて、エッチストップ層９１６と９２４の層厚、高さも一致させておく。
【００５５】
更に、図１４に示されるがごとくＴ−Ｕ−Ｖで表される部分をエッチングにより取り除き、光閉じ込め層９３１、光導波層９３２、光閉じ込め層９３３、エッチストップ層９３４、光閉じ込め層９３５を順次積層する。これらの結晶成長においては、光導波層９１４、９３２は同じ厚さ０．４μｍで、層９３２が層９１４に対して０．４μｍだけ下に作製される様に行なう。加えて、エッチストップ層９１６と９３４の層厚、高さも一致させておく。こうして作製された基板断面をＰ−Ｑ−Ｒ−Ｓで切断して観測したものが図１５である。
【００５６】
次に、図１２に示されるリッジ部分をエッチングにより作製する。この時、直交する２本の導波路に対して面Ｂ−Ｂ’が４５度の角度をなし、かつ交差部の中心を通る様に行なう。更に、ドライエッチングにより、溝９０５を、２本の導波路の中心を通り、かつ、面Ｂ−Ｂ’に直交する様に作製する。この時、エッチングの深さが光導波層９１４のほぼ中央で停止するように制御する。この時の制御性は実施例２に示されるようにおよそ０．０４μｍで充分な制御性がある。また、エッチングを行なう部分の長さは横方向の光の閉じ込めが行なわれる部分を越えて充分に大きくとれば問題ない。
【００５７】
本光合波・分岐器の特徴について図１２により説明する。入射導波路は９０１と９０２である。ここでは、導波路９０１から入射した光について説明する。導波路９０２から入射した光も同様に扱える。導波路９０１を伝搬する光のほぼ上半分は溝９０５により導波路９０３へと反射される。一方、下半分の光は溝９０５の下部を通過し、導波路９０４へと入射する。ここで、既に図１５にて説明したように、導波路９０１の光導波層９１４に対して、導波路９０３の光導波層９２２は０．４μｍだけ上に作製されており、溝９０５で反射された上半分の光を効率良く導波路９０３へと結合することができる。一方、導波路９０４の光導波層９３２は光導波層９１４に対して、０．４μｍだけ下に作製されているので、同じく、溝９０５の下部を透過した下半分の光を効率良く導波路９０４へと導くことができる。更に、本実施例では、溝９０５の深さ方向の加工精度が０．０４μｍであるので、極めて分割比の安定した光分岐器、光合波器を得ることができた。また、深さを変えることにより任意の分割比の光合分岐器の作製も可能である。
【００５８】
本実施例においては溝９０５を光導波層９１４のほぼ中央部までに深さに形成したが、本発明はこれに限定されるものでなく、分岐比を変えたいとき、溝の深さを変えることによって、所望の分岐比が得られるものである。
【００５９】
【発明の効果】
上記のように、光分岐部に或る反射率を有する部位を複数個配置すると、その部位の数が多くなればなるほど光分岐部の光の界分布と出力側の導波路の固有モードとの整合が良くなり、光分岐部から出力側の導波路に至る間のモード変換損失が小さくなる。また、位置ずれに対する分岐比の変動が小さくなり、厳密な位置合わせ精度が要求されなくなる。
【００６０】
また、或る反射率を有する部位の形成方法として、その領域における光の界分布のピークをこえて深い溝を形成することにより、その領域における光の透過は無視できることになり、マスクパターンのみで規定される光の分岐比が得られる。
【００６１】
更には、出力側の光導波路の中心軸を入力側の光導波路の中心軸より所定の距離だけずらすことにより、やはり光分岐部の光の界分布と出力側の導波路の固有モードとの整合が良くなり、光分岐部から出力側の導波路に至る間のモード変換損失が小さくなる。
【００６２】
そして、出力側の光導波路の幅を連続的または、断続的に変化させたことにより、モード変換損失を抑え、かつ素子作成時のマスクあわせの精度の変化に対する光結合効率、分岐比の変動を抑え、歩留りの向上になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の導波路型光合波器の斜視図である。
【図２】図１の上面図である。
【図３】図２に示す導波路中の信号光の水平方向（導波路の各層に平行な方向）の光強度分布である。
【図４】図２に示すＢＳ直後の２つの光の界分布、及びＢＳ入射前の光の界分布を示した図である。
【図５】本発明の他の実施例の導波路型光合波器の上面図である。
【図６】図５に示すＢＳ直後の２つの光の界分布、及びＢＳ入射前の光の界分布を示した図である。
【図７】本発明の他の実施例の導波路型光合波器の上面図である。
【図８】本発明第４の実施例の導波路型光合波器の斜視図である。
【図９】本発明第５の実施例の導波路型光合波器の斜視図である。
【図１０】本発明第５の実施例の導波路型光合波器の応用例である。
【図１１】本発明第５の実施例における導波路のずれの効果を示す図である。
【図１２】本発明第７の実施例における導波路型光合波器の斜視図である。
【図１３】本発明第７の実施例の導波路型光合波器の作製手順を示す図である。
【図１４】図１３に続く、本発明第７の実施例の導波路型光合波器の作製手順を示す図である。
【図１５】本発明第７の実施例の導波路型光合波器の断面図である。
【図１６】本発明第７の実施例の導波路型光合波器の断面図である。
【図１７】従来例を示す摸式図である。
【図１８】従来例を示す模式図である。
【符号の説明】
１００入力側導波路
１０１入力側導波路
１０３出力側導波路
１０４出力側導波路
１０５溝
１０６ＧａＡｓ基板
１０７Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第１光閉じ込め層
１０８Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ光導波層
１０９Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第２光閉じ込め層
１１０ＧａＡｓエッチストップ層
１１１Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第３光閉じ込め層
１１２ＧａＡｓ表面保護層

Claims

光導波路に導波光を全反射する溝を形成することによって、該光導波路を導波する光を２つの出力側導波路に所望の分岐比にて分岐する光回路素子において、
前記溝は複数の溝で形成され、かつ、前記複数の溝が同一入力導波路に導かれた前記導波光を同一方向に反射するように形成されて１つの分岐器を成すことを特徴とする光回路素子。
前記溝は、分岐された導波光の界分布に対称性が存在するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光回路素子。
前記溝は、その幅が前記光導波路内を導波する光の波長の１０分の１以上となる個数以下となるよう非溝形成領域が複数形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光回路素子。
前記溝は、その形成領域が溝上方からみてほぼ一直線の形状に形成されてなることを特徴とする請求項３に記載の光回路素子。
前記溝は、その形成領域が溝上方からみてほぼ三角形状に形成されてなることを特徴とする請求項３に記載の光回路素子。
前記溝は、その深さが入射側導波路を導波する光の垂直方向の界分布のピークを越して深く形成されてなることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の光回路素子。
請求項１〜６のいずれかの光回路素子を備えた集積型光回路装置において、
前記光回路素子の入射側光導波路が複数個あって、それぞれの入射側光導波路に対応して１つずつ配置される入射光発振源は、複数種類であることを特徴とする集積型光回路装置。