JP3960399B2

JP3960399B2 - Arrayed waveguide grating element

Info

Publication number: JP3960399B2
Application number: JP27399797A
Authority: JP
Inventors: 正樹神徳; 広明三条; 裕三吉國
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1997-10-07
Filing date: 1997-10-07
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2017-10-07
Also published as: JPH11109150A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光交換、光情報処理等に用いられる、アレイ導波路格子素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信技術の高度化に伴い、大容量の通信を実現するために、波長多重（ＷＤＭ）化された信号を用いることが重要となってきている。こうした中、多重化された光の中から、必要とする波長を任意に抽出したり（バンドパスフィルター）、必要な波長の信号のみ分離したり、また逆に必要な波長の光を追加したり（波長合分波）、波長に応じて出射経路を変更することが出来る（波長ルーター）機能を持つ素子はＷＤＭシステムの中では非常に重要な役割を果たす。アレイ導波路格子素子はフィルター特性が急峻で高い消光比を有し、規則的な周期性を持つ、また、多入力・多出力ポートの構成であるので、容易に波長合分波器や波長ルーターを構成できるなど、優れた特性を有しているため、ＷＤＭ用集積部品の基本要素として期待されている。また、これらの素子は光の波長に応じて様々な処理を行えるため、光通信への応用だけに限らず、光信号処理など様々な用途がある。
【０００３】
アレイ導波路格子素子は、優れた特性を有しているが、半導体を利用してこれらの素子を作製した場合、導波路を構成する材料や構造により生じる波長分散の影響を受けて所望の特性が得られない場合が少なくなった。そこで、従来の素子における波長分散の影響を図８および図９を用いて説明を行う。
【０００４】
まず、図８に半導体導波路の等価屈折率の波長依存性を示す。この図に示すように導波路の等価屈折率は波長とともに減少する傾向があり、導波路の偏波方向によって、その変化率は異なっていることがわかる。これらの導波路を利用してアレイ導波路格子を作製すると、その特性は図９のようになる。すなわち、半導体導波路のＴＥモードとＴＭモードの等価屈折率が一致（ｎ_eq(TE)＝ｎ_eq(TM)）している波長λｃの時には、アレイ導波路格子のＴＥモードとＴＭモードの透過特性は一致している。それに対して、波長がλｃから外れてくるにつれて、ＴＥモードとＴＭモードの等価屈折率の差が大きくなるために、透過特性は図９に示したように徐々に中心波長のずれを生じていくこととなる。これらの素子を通信などで利用しようとした場合、偏波により透過光強度が変わることは伝送する信号の劣化や誤りを生じるため、避けなければならない。そこで、ＴＥモードとＴＭモードの透過特性が重なった近傍の狭い波長領域（図中Ｗ′）で使用しなければならなくなる。このため、使用できる波長の帯域幅が減少する（Ｗ′＜Ｗ）と伴に、使用する光源の波長および、フィルタとしての波長設定もより厳密に行うことが必要となる。これらの問題を避けるためには、透過特性のピーク波長の差は、フィルタとしての帯域幅より充分小さいことが必要であり、偏波依存性の小さいごく限られたチャンネルしか、使用することができない。さらに、隣接するチャンネル間の透過特性が重なり合うことによるクロストークが出ることが問題となっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明においては、上記の従来のアレイ導波路格子素子の透過特性の偏波依存性を解消し、良好な特性のアレイ導波路格子素子を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する［請求項１］の発明は、少なくとも一本以上の入力導波路を接続した第１のスラブ導波路と少なくとも一本以上の出力導波路を接続した第の２スラブ導波路をアレイ導波路の両端に持つ光導波路回路において、スラブ導波路部分のクラッド層の膜厚を前記アレイ導波路部分のクラッド層の膜厚より薄くし、スラブ導波路の等価屈折率の偏波依存性の差を下記式（１）のように設定してなることを特徴とする。
【数４】

【０００７】
［請求項２］の発明は、少なくとも一本以上の入力導波路を接続した第１のスラブ導波路と少なくとも一本以上の出力導波路を接続した第２のスラブ導波路をアレイ導波路の両端に持つ光導波路回路において、スラブ導波路部分のコア層の膜厚を前記アレイ導波路部分のコア層の膜厚より薄くし、スラブ導波路の等価屈折率の偏波依存性の差を下記式（１）のように設定してなることを特徴とする。
【数５】

【０００８】
［請求項３］の発明は、少なくとも一本以上の入力導波路を接続した第１のスラブ導波路と少なくとも一本以上の出力導波路を接続した第２のスラブ導波路をアレイ導波路の両端に持つ光導波路回路において、スラブ導波路部分のコア層の組成波長を前記アレイ導波路部分のコア層の組成波長よりも短波長の材料で構成し、スラブ導波路の等価屈折率の偏波依存性の差を下記式（１）のように設定してなることを特徴とする。
【数６】

【０００９】
［請求項４］の発明は、請求項１〜請求項３において、スラブ導波路領域におけるクラッド層の層厚を０．４μｍ以下としたことを特徴とする。
【００１１】
すなわち、本発明によるアレイ導波路格子では、スラブ導波路の等価屈折率の偏波依存性を利用することにより、アレイ導波路を構成する導波路が有する偏波依存性の波長分散の解消もしくは減少をはかることとした。
その具体的な設計方法について言及を行い、請求項２では、スラブ導波路のクラッドを導波路部分のクラッドと比較して薄膜化することにより、等価屈折率の偏波依存性を増大させ、より効果的に偏波依存性の波長分散を解消することのできる構造を提供する。また、請求項３又は請求項４では、スラブ導波路部分のコア層にアレイ導波路部分のコア層とは組成もしくは膜厚の異なる材料を用いることにより、等価屈折率の偏波依存性を増大させより効果的に波長分散を解消することのできる構造を提供する。
【００１２】
本発明によるアレイ導波路格子を用いることにより偏波依存性の波長分散を低減し、より広い波長範囲において光フィルタ、合分波器、ルータなどを形成することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のアレイ導波路格子素子の第１の実施の形態である。
図１に示すように、少なくとも一本以上の入力導波路１１を接続した、第１のスラブ導波路１２と少なくとも一本以上の出力導波路１３を接続した第２のスラブ導波路１４をアレイ導波路１５の両端に有するアレイ導波路回路からなっており、構造的には、従来の素子と基本的には同一構造ではあるが、アレイ導波路の偏波依存性の波長分散を解消するために、スラブ導波路のＴＥモードとＴＭモードの等価屈折率の差を下記［数３］に示す式（１）と設定している。
【００１４】
【数７】

【００１５】
図１、および図１のアレイ導波路格子素子の第２のスラブ導波路部分を拡大した図２を用いて本発明の原理の説明を行う。
これらの図面に示すように、入力導波路１１から入射した光は、第１のスラブ導波路１２で回折し、アレイ導波路１５に分岐されていく、アレイ導波路１５から第２のスラブ導波路１４に出射した光は回折して、お互いに干渉して波長に応じて第２のスラブ導波路１４の端面において収束する。アレイ導波路の中心出力ポートにおいては、それぞれのアレイ導波路を透過してきた光が、それぞれ強め合う条件となるのは、全ての導波路から出力される光の位相差が２πの定数倍となったときである。
【００１６】
式であらわすと、位相差
【数８】

（ΔＬはアレイ導波路の隣接する導波路の光路長差、Ｍは回折次数であり、λは中心出力ポートから出力される波長、ｎeq(TE)およびｎeq(TM)はそれぞれ波長λにおけるＴＥモードおよびＴＭモードに対する導波路の等価屈折率である。）を満たした場合である。
【００１７】
図で示すと、等位相面が出力導波路に対して円弧状になっていればよい。ここで、上記▲１▼式からｎ_eq(TE)とｎ_eq(TM)が異なっていると、出射してくる波長が異なることがわかる。
そこで、ｎ_eq(TE)とｎ_eq(TM)に許容される誤差としては、アレイ導波路格子の帯域幅およびチャンネル間隔にもよるが、１ｄＢ帯域幅をΔλとすると、Δλ_(TE-TM)＜Δλ／２程度とすることが必要である。Δλ_(TE-TM)≒Δλｎ_eq(TE-TM)／ｎ_eq(TE)＜ Δλ／２、λ＝１．５５μｍ、ｎ_eq＝３．２程度、チャンネル間隔が０．４ｎｍ（５０ＧＨｚ）間隔のアレイ格子とすると、１ｄＢ帯域幅は図３に示したようにΔλ〜０．１２ｎｍ（１７ＧＨｚ）程度であるので、Δｎ_eq(TE-TM)＜２．５ｅ−４程度とかなり小さい範囲に設定することが必要である。等価屈折率に許容される誤差としては、アレイ導波路のチャンネル間隔（帯域幅）に比例して変化することとなり、一般にチャンネル間隔が狭くなるほど厳しい条件となる。
【００１８】
次に中心から離れたポートの出力について考えると、導波路の伝搬定数が偏波によって微妙に異なるため、アレイ導波路から出力されるときには図２（ｂ）に示したようにＴＥモードとＴＭモードの等位相面が異なっていることがわかる。二つのモードが同一の出力端から出射するためには、スラブ導波路において、二つのモードに対して等位相面が出力導波路に対して円弧状になっていることが必要である。このため、スラブ導波路においてはＴＥモードの伝搬速度はＴＭモードに比べて遅くすることが必要である。すなわち、ＴＥモードの等価屈折率をＴＭモードに比べて大きくすることが必要である。次に式を用いて中心から離れたポートの出力波長についても同様に強め合う条件を考えてみる。
【００１９】
【数９】

（ΔＬはアレイ導波路の隣接する導波路の光路長差、Ｍは回折次数、Δｌはスラブ導波路における光路長差、λ′，λ″はそれぞれＴＥモードおよびＴＭモードの出力波長であり、ｎeq(TE)，ｎeq(TM)は出力波長における導波路の等価屈折率であり、ｎs(TE)，ｎs(TM)は出力波長におけるスラブ導波路の等価屈折率をあらわしている。）
【００２０】
ここで、中心出力ポートから出力される波長と中心から離れたポートの出力波長の差Δλ_(TE)＝λ−λ′は▲１▼式と▲２▼式を用いて次式であらわされる。
【００２１】
【数１０】

二つの出力波長ピークが一致するようにするにはΔλ(TE)＝Δλ(TM)となればよく、
【数１１】

となるように設計を行えばよい。
この等式をΔｎsに対して解き、簡単にすると、
【数１２】

を満たすことが必要条件となる。
【００２２】
このような条件を満たす構造の設計方法を以下に説明を行う。
まず、導波路の等価屈折率差の波長分散（ｄΔｎ_eq）／（ｄλ）は導波路の組成，膜厚，導波路幅などにより変化するので、図４にコア厚および組成に対する導波路の等価屈折率差の波長分散を示す。
半導体ＬＤ等で用いられる程度のコア厚（≦０．５μｍ）においては、組成波長が大きい程波長分散値が大きくなり、逆に１〜１．５μｍ適度の厚いコア厚においては、組成波長が小さいほど波長分散値が大きくなることがわかる。
これらの波長分散の影響を打ち消すには上記「数８」に示す式に示したようにスラブ導波路の偏波による等価屈折率の差を利用すればよい。
【００２３】
図５にスラブ導波路の構造とそれに対するＴＥモードとＴＭモードの等価屈折率の差（Δｎ_sの関係）を示す。この図５に示したように、クラッドの層厚を薄くするほど、等価屈折率の差は大きくなることがわかる。また、導波路のコア厚としては薄く作製するほど等価屈折率の差は大きくなることがわかる。
【００２４】
次に、実際に導波路の等価屈折率の差の波長分散（ｄΔｎeq）／（ｄλ）を打ち消すのに必要となる、スラブ導波路の偏波による等価屈折率の差Δｎs を見積もる。λcを例えば１．５５μｍとすると、ｎs(TE)／Ｎc(TE)の値は導波路の構造等によりほとんど変化しない値（約０．９１〜０．９３）であるので、
【数１３】

程度に設定を行うようにすればよい。
【００２５】
図４および図５を用いてこれらの条件を満たす方法についてより詳細に説明を行う。
まず、（ｄΔｎ_eq）／（ｄλ）の値は比較的大きな値であるので、適切な設計を行わなければ上記の条件を満足させることはできない。例えば、導波路のコア厚が１．５μｍ程度とした場合、図４より（ｄΔｎ_eq）／（ｄλ）は−０．００２〜−０．００２７程度であるので、必要となるΔｎ_sは０．００２８〜０．００３８程度となる。
【００２６】
図５に示すように、コア厚が１．５μｍの場合にはこのような条件を満たすことは比較的困難であり、クラッド層厚を０μｍ程度とした場合にかろうじて条件を満たす場合がある。一方、導波路のコア厚を０．５μｍ程度とした場合には、図４より（ｄΔｎ_eq）／（ｄλ）は導波路の組成波長が大きくなる程大きな分散となり、先程のコア厚が厚い場合と比較してかなり大きな値となることがわかる。１．０５μｍ組成、１．１μｍ組成、１．１５μｍ組成それぞれの場合に対して、（ｄΔｎ_eq）／（ｄλ）は０．００３８，０．００４６，０．００５３程度であり、必要となるΔｎ_sはそれぞれ０．００５４，０．００６６，０．００７４となることがわかる。図５よりこれらの条件を満たすクラッド厚は約０．３μｍ程度であることがわかる。
【００２７】
以上に一例を示したように、導波路の等価屈折率差の波長分散を解消するようにスラブ導波路の等価屈折率差を設定することができる。
また、上記の条件を満たすためには、スラブ導波路の等価屈折率差を大きくすることが必要であるので、クラッド厚を０．４μｍ以下の値とすることが、有効である。
【００２８】
さらに、本発明の第２の実施の形態を図６に示す。
図６からわかるようにスラブ導波路の等価屈折率の差を増大させるためには、スラブ導波路部分のクラッド層厚を薄く作製することが有効である。そこで、図６に示すようにアレイ導波路１５部分のクラッド層１５ａ厚と比較してスラブ導波路部１２分のクラッド層１２ａ厚を薄く作製することは効果的となる。
多くの場合、アレイ導波路部分のクラッド層厚をスラブ導波路部分に合わせて減少させることは伝搬損失などの観点から問題となることが少なくなく、スラブ導波路のクラッド層厚とアレイ導波路のクラッド層厚は独立に設計できることが望ましい。
これらの構造はドライおよびウエットエッチング等の手法によって、選択的にスラブ導波路部分のクラッドの一部を除去することによって容易に実現することができる。
【００２９】
さらに、本発明の第３の実施の形態を図７に示す。
図７に示す本発明の第３の実施の形態では、スラブ導波路１２部分のみコア１２ｂ厚を薄くしたり、導波路の組成を変化させることによっても、スラブ導波路の偏波による等価屈折率差を拡大することができるので有効である。
また、導波路のコアとして、ＭＱＷ等の偏波により屈折率の異なる材料を積層することによっても、等価屈折率の差を拡大させることができるので有効である。
【００３０】
以上、本発明では、導波路の構造によらないため、ハイメサ導波路を用いて説明を行ったが、リブ導波路、リブ埋め込み導波路、埋め込み導波路など他の導波路構造を用いても構わない。また、導波路のコアとしては、半導体バルクでもＭＱＷのように異なる組成の材料を積層した多層構造であっても構わない。
【００３１】
【発明の効果】
前述のように本発明のアレイ導波路格子素子においては、従来の半導体アレイ導波路格子素子の問題点を解決し、広い波長範囲において偏波無依存のアレイ導波路格子素子を得ることができるため、大容量ＷＤＭシステムや光信号処理などの様々なアプリケーションにおける基本素子として非常に重要な働きをさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアレイ導波路格子素子の第１の実施の形態である。
【図２】本発明の原理を説明する図である。
【図３】アレイ導波路格子の波長特性の一例を示した図である。
【図４】アレイ導波路のＴＥモードとＴＭモードの等価屈折率の差の波長分散を示した図である。
【図５】スラブ導波路のＴＥモードとＴＭモードの等価屈折率の差のコア厚、組成依存性を示した図である。
【図６】本発明のアレイ導波路格子素子の第２の実施の形態である。
【図７】本発明のアレイ導波路格子素子の第３の実施の形態である。
【図８】半導体導波路のＴＥモードおよびＴＭモードに対する等価屈折率の波長依存性を示した図である。
【図９】従来のアレイ格子素子の透過特性を示した図である。
【符号の説明】
１１入力導波路
１２第１のスラブ導波路
１３出力導波路
１４第２のスラブ導波路
１５アレイ導波路
１２ａ，１５ａクラッド層
１２ｂ，１５ｂコア[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an arrayed waveguide grating element used for optical communication, optical exchange, optical information processing, and the like.
[0002]
[Prior art]
With the advancement of optical communication technology, it has become important to use a wavelength-multiplexed (WDM) signal in order to realize large-capacity communication. Under these circumstances, the required wavelength can be arbitrarily extracted from the multiplexed light (band pass filter), only the signal of the required wavelength can be separated, or conversely, the light of the required wavelength can be added. (Wavelength multiplexing / demultiplexing), an element having a function (wavelength router) capable of changing the emission path according to the wavelength plays a very important role in the WDM system. The arrayed waveguide grating element has a sharp filter characteristic, a high extinction ratio, a regular periodicity, and a multi-input / multi-output port configuration. Therefore, it is expected as a basic element of an integrated component for WDM. In addition, since these elements can perform various processes according to the wavelength of light, they have various uses such as optical signal processing as well as application to optical communications.
[0003]
Arrayed waveguide grating elements have excellent characteristics, but when these elements are fabricated using semiconductors, the desired characteristics are affected by the chromatic dispersion caused by the materials and structures that make up the waveguide. The number of cases where cannot be obtained has decreased. Therefore, the influence of chromatic dispersion in a conventional element will be described with reference to FIGS.
[0004]
First, FIG. 8 shows the wavelength dependence of the equivalent refractive index of the semiconductor waveguide. As shown in this figure, the equivalent refractive index of the waveguide tends to decrease with the wavelength, and it can be seen that the rate of change varies depending on the polarization direction of the waveguide. When an arrayed waveguide grating is fabricated using these waveguides, the characteristics are as shown in FIG. That is, when the equivalent refractive index of the TE mode and the TM mode of the semiconductor waveguide is the same (n _{eq (TE)} = n _{eq (TM)} ), the transmission of the TE mode and the TM mode of the arrayed waveguide grating is performed. The characteristics are consistent. On the other hand, as the wavelength deviates from λc, the difference in the equivalent refractive index between the TE mode and the TM mode increases, and the transmission characteristic gradually shifts in the center wavelength as shown in FIG. It will be. When trying to use these elements for communication or the like, changes in transmitted light intensity due to polarization cause deterioration or errors in the transmitted signal and must be avoided. Therefore, it must be used in a narrow wavelength region (W ′ in the figure) in the vicinity where the transmission characteristics of the TE mode and the TM mode overlap. For this reason, as the bandwidth of wavelengths that can be used decreases (W ′ <W), it is necessary to set the wavelength of the light source to be used and the wavelength as a filter more strictly. In order to avoid these problems, the difference in the peak wavelength of the transmission characteristics needs to be sufficiently smaller than the bandwidth of the filter, and only a limited number of channels with small polarization dependence can be used. . Furthermore, there has been a problem that crosstalk occurs due to overlapping of transmission characteristics between adjacent channels.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to eliminate the polarization dependence of the transmission characteristics of the conventional arrayed waveguide grating element described above and provide an arrayed waveguide grating element with good characteristics.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The invention of [Claim 1] that solves the above-described problem includes a first slab waveguide connected to at least one input waveguide and a second slab waveguide connected to at least one output waveguide. In the optical waveguide circuit at both ends of the arrayed waveguide, the thickness of the cladding layer of the slab waveguide is made thinner than the thickness of the cladding layer of the arrayed waveguide , and the polarization dependence of the equivalent refractive index of the slab waveguide The difference is set as shown in the following formula (1).
[Equation 4 ]

[0007]
According to the invention of [Claim 2], the first slab waveguide connecting at least one or more input waveguides and the second slab waveguide connecting at least one output waveguide are connected to both ends of the arrayed waveguide. In the optical waveguide circuit, the thickness of the core layer of the slab waveguide portion is made thinner than the thickness of the core layer of the arrayed waveguide portion, and the difference in polarization dependence of the equivalent refractive index of the slab waveguide is expressed by the following equation: characterized Rukoto a set as in (1).
[Equation 5]

[0008]
In the invention of [Claim 3], the first slab waveguide connecting at least one or more input waveguides and the second slab waveguide connecting at least one or more output waveguides are arranged at both ends of the arrayed waveguide. In the optical waveguide circuit, the composition wavelength of the core layer of the slab waveguide portion is made of a material having a shorter wavelength than the composition wavelength of the core layer of the arrayed waveguide portion, and the polarization dependence of the equivalent refractive index of the slab waveguide the difference between sex and wherein Rukoto such set as the following equation (1).
[Formula 6]

[0009]
The invention of [Claim 4] is characterized in that, in Claims 1 to 3, the thickness of the clad layer in the slab waveguide region is 0.4 [mu] m or less .
[0011]
That is, in the arrayed waveguide grating according to the present invention, the polarization-dependent chromatic dispersion of the waveguides constituting the arrayed waveguide is eliminated or reduced by utilizing the polarization dependence of the equivalent refractive index of the slab waveguide. We decided to measure.
The specific design method is referred to, and in claim 2, the clad of the slab waveguide is made thinner than the clad of the waveguide portion to increase the polarization dependency of the equivalent refractive index, and more A structure capable of effectively eliminating polarization-dependent wavelength dispersion is provided. Further, in claim 3 or claim 4, by using a material having a composition or a film thickness different from that of the core layer of the arrayed waveguide portion for the core layer of the slab waveguide portion, the polarization dependency of the equivalent refractive index is increased. And a structure capable of eliminating chromatic dispersion more effectively.
[0012]
By using the arrayed waveguide grating according to the present invention, polarization dependent chromatic dispersion can be reduced, and an optical filter, multiplexer / demultiplexer, router, and the like can be formed in a wider wavelength range.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a first embodiment of an arrayed waveguide grating element of the present invention.
As shown in FIG. 1, an array conductor is formed by connecting a first slab waveguide 12 connected with at least one input waveguide 11 and a second slab waveguide 14 connected with at least one output waveguide 13. It consists of an arrayed waveguide circuit at both ends of the waveguide 15, and is structurally basically the same as a conventional element, but in order to eliminate the polarization-dependent wavelength dispersion of the arrayed waveguide. The difference in the equivalent refractive index between the TE mode and the TM mode of the slab waveguide is set as the equation (1) shown in the following [Equation 3].
[0014]
[Expression 7]

[0015]
The principle of the present invention will be described with reference to FIG. 1 and FIG. 2 in which the second slab waveguide portion of the arrayed waveguide grating element of FIG. 1 is enlarged.
As shown in these drawings, the light incident from the input waveguide 11 is diffracted by the first slab waveguide 12 and branched to the array waveguide 15. The second slab waveguide from the array waveguide 15. The lights emitted to 14 are diffracted, interfere with each other, and converge at the end face of the second slab waveguide 14 according to the wavelength. At the center output port of the arrayed waveguide, the conditions that the light transmitted through each arrayed waveguide reinforces each other are that the phase difference of the light output from all the waveguides is a constant multiple of 2π. When
[0016]
Expressed by the equation, the phase difference

(ΔL is the optical path length difference between adjacent waveguides of the arrayed waveguide, M is the diffraction order, λ is the wavelength output from the center output port, and neq (TE) and neq (TM) are TE modes at wavelength λ, respectively. And the equivalent refractive index of the waveguide for the TM mode).
[0017]
As shown in the figure, it is sufficient that the equiphase surface has an arc shape with respect to the output waveguide. Here, it can be seen from the above formula ₍ 1 ₎ that when n _{eq (TE)} and n _{eq (TM)} are different, the emitted wavelength is different.
Therefore, the error allowed in n _{eq (TE)} and n _{eq (TM)} depends on the bandwidth of the arrayed waveguide grating and the channel spacing, but when the 1 dB bandwidth is Δλ, Δλ _(TE-TM) It is necessary to set it to about <Δλ / 2. Δλ _(TE-TM) ≈ Δλn _{eq (TE-TM)} / n _{eq (TE)} <Δλ / 2, λ = 1.55 μm, n _eq = 3.2, and the channel interval is 0.4 nm (50 GHz) In the case of an array grating, since the 1 dB bandwidth is about Δλ to 0.12 nm (17 GHz) as shown in FIG. 3, Δn _{eq (TE-TM)} <2.5e-4 is set to a fairly small range. It is necessary. The error allowed for the equivalent refractive index changes in proportion to the channel spacing (bandwidth) of the arrayed waveguide, and generally becomes more severe as the channel spacing becomes narrower.
[0018]
Next, considering the output of the port far from the center, the propagation constant of the waveguide is slightly different depending on the polarization. Therefore, when output from the arrayed waveguide, as shown in FIG. It can be seen that the equiphase surfaces are different. In order for the two modes to be emitted from the same output end, in the slab waveguide, it is necessary that the equiphase surface has an arc shape with respect to the output waveguide. For this reason, in the slab waveguide, it is necessary to make the propagation speed of the TE mode slower than that of the TM mode. That is, it is necessary to make the equivalent refractive index of the TE mode larger than that of the TM mode. Next, let us consider the conditions for strengthening the output wavelength of the port far from the center using the equation.
[0019]
[Equation 9]

(ΔL is the optical path length difference between adjacent waveguides of the arrayed waveguide, M is the diffraction order, Δl is the optical path length difference in the slab waveguide, and λ ′ and λ ″ are the output wavelengths of the TE mode and the TM mode, respectively. (TE) and neq (TM) are equivalent refractive indices of the waveguide at the output wavelength, and ns (TE) and ns (TM) represent the equivalent refractive index of the slab waveguide at the output wavelength.
[0020]
Here, the difference Δλ _(TE) = λ−λ ′ between the wavelength output from the center output port and the output wavelength of the port far from the center is expressed by the following equation using the equations ₍ 1 _{) and (2)} .
[0021]
[Expression 10]

In order to make the two output wavelength peaks coincide with each other, Δλ (TE) = Δλ (TM) may be satisfied.
[Expression 11]

The design should be performed so that
Solving this equation for Δns and simplifying it,
[Expression 12]

It is a necessary condition to satisfy.
[0022]
A method for designing a structure that satisfies such conditions will be described below.
First, since the wavelength dispersion (dΔn _eq ) / (dλ) of the equivalent refractive index difference of the waveguide varies depending on the composition, film thickness, waveguide width, etc. of the waveguide, FIG. 4 shows the equivalent of the waveguide to the core thickness and composition. The wavelength dispersion of the refractive index difference is shown.
In a core thickness (≦ 0.5 μm) that is used in a semiconductor LD or the like, the chromatic dispersion value increases as the composition wavelength increases, and conversely, in a moderate core thickness of 1 to 1.5 μm, the composition wavelength is small. It can be seen that the chromatic dispersion value increases.
In order to cancel the influence of the chromatic dispersion, the difference in the equivalent refractive index due to the polarization of the slab waveguide may be used as shown in the equation shown in the above “Equation 8”.
[0023]
Shows the difference between the structure and the equivalent refractive index of the TE and TM modes for its slab waveguide (relationship [Delta] n _s) in FIG. As shown in FIG. 5, it can be understood that the difference in equivalent refractive index increases as the thickness of the clad layer decreases. In addition, it can be seen that the difference in equivalent refractive index increases as the waveguide core is made thinner.
[0024]
Next, the difference Δns in the equivalent refractive index due to the polarization of the slab waveguide, which is actually required to cancel out the chromatic dispersion (dΔneq) / (dλ) of the difference in the equivalent refractive index of the waveguide, is estimated. For example, when λc is 1.55 μm, the value of ns (TE) / Nc (TE) is a value (approximately 0.91 to 0.93) that hardly changes depending on the structure of the waveguide.
[Formula 13]

What is necessary is just to set it to a grade.
[0025]
A method that satisfies these conditions will be described in more detail with reference to FIGS.
First, since the value of (dΔn _eq ) / (dλ) is a relatively large value, the above condition cannot be satisfied without appropriate design. For example, when the core thickness of the waveguide is about 1.5 [mu] m, since from Fig _{4 (dΔn eq) / (dλ} ) is about -0.002～-0.0027, the [Delta] n _s required 0. It becomes about 0028-0.0038.
[0026]
As shown in FIG. 5, it is relatively difficult to satisfy such a condition when the core thickness is 1.5 μm, and there are cases where the condition is barely met when the cladding layer thickness is about 0 μm. On the other hand, when the core thickness of the waveguide is about 0.5 μm, (dΔn _eq ) / (dλ) becomes larger as the composition wavelength of the waveguide becomes larger from FIG. 4, and the previous core thickness is thicker. It can be seen that the value is considerably larger than that. For each of the 1.05 μm composition, 1.1 μm composition, and 1.15 μm composition, (dΔn _eq ) / (dλ) is about 0.0038, 0.0046, 0.0053, and the required Δn _s Are 0.0054, 0.0066, and 0.0074, respectively. FIG. 5 shows that the clad thickness that satisfies these conditions is about 0.3 μm.
[0027]
As described above, the equivalent refractive index difference of the slab waveguide can be set so as to eliminate the wavelength dispersion of the equivalent refractive index difference of the waveguide.
In order to satisfy the above conditions, it is necessary to increase the equivalent refractive index difference of the slab waveguide. Therefore, it is effective to set the cladding thickness to a value of 0.4 μm or less.
[0028]
Furthermore, the second embodiment of the present invention is shown in FIG.
As can be seen from FIG. 6, in order to increase the difference in the equivalent refractive index of the slab waveguide, it is effective to make the cladding layer thin in the slab waveguide portion. Therefore, as shown in FIG. 6, it is effective to make the cladding layer 12a of the slab waveguide portion 12 thinner than the cladding layer 15a of the arrayed waveguide 15 portion.
In many cases, reducing the thickness of the clad layer of the arrayed waveguide portion in accordance with the slab waveguide portion is often a problem from the viewpoint of propagation loss and the like. It is desirable that the cladding layer thickness can be designed independently.
These structures can be easily realized by selectively removing a part of the clad of the slab waveguide portion by a technique such as dry and wet etching.
[0029]
Furthermore, FIG. 7 shows a third embodiment of the present invention.
In the third embodiment of the present invention shown in FIG. 7, the equivalent refractive index due to the polarization of the slab waveguide can also be obtained by reducing the thickness of the core 12b only in the slab waveguide 12 portion or changing the composition of the waveguide. This is effective because the difference can be enlarged.
It is also effective to stack the materials having different refractive indexes depending on the polarization of MQW or the like as the waveguide core because the difference in equivalent refractive index can be increased.
[0030]
As described above, the present invention has been described using a high-mesa waveguide because it does not depend on the structure of the waveguide. However, other waveguide structures such as a rib waveguide, a rib-embedded waveguide, and a buried waveguide may be used. Absent. The core of the waveguide may be a semiconductor bulk or a multilayer structure in which materials having different compositions such as MQW are stacked.
[0031]
【The invention's effect】
As described above, the arrayed waveguide grating element of the present invention solves the problems of the conventional semiconductor arrayed waveguide grating element, and can obtain a polarization-independent arrayed waveguide grating element in a wide wavelength range. As a basic element in various applications such as a large-capacity WDM system and optical signal processing, it can function very importantly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a first embodiment of an arrayed waveguide grating element according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an example of wavelength characteristics of an arrayed waveguide grating.
FIG. 4 is a diagram illustrating chromatic dispersion of a difference in equivalent refractive index between an TE mode and a TM mode of an arrayed waveguide.
FIG. 5 is a diagram showing the core thickness and composition dependence of the difference in equivalent refractive index between TE mode and TM mode of a slab waveguide.
FIG. 6 is a second embodiment of an arrayed waveguide grating element according to the present invention.
FIG. 7 is a third embodiment of an arrayed waveguide grating element according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing the wavelength dependence of the equivalent refractive index for a TE mode and a TM mode of a semiconductor waveguide.
FIG. 9 is a diagram showing transmission characteristics of a conventional array lattice element.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Input waveguide 12 1st slab waveguide 13 Output waveguide 14 2nd slab waveguide 15 Array waveguide 12a,

15a Clad layer

12b, 15b Core

Claims

In the optical waveguide circuit having a first of the two slab waveguides connecting the first slab waveguide and at least one or more output waveguides connecting at least one or more input waveguides to both ends of the arrayed waveguide, slab waveguide The thickness of the cladding layer of the waveguide portion is made thinner than the thickness of the cladding layer of the arrayed waveguide portion, and the difference in polarization dependence of the equivalent refractive index of the slab waveguide is set as shown in the following formula (1). An arrayed waveguide grating element characterized by comprising:

An optical waveguide circuit having a first slab waveguide connected to at least one input waveguide and a second slab waveguide connected to at least one output waveguide at both ends of the arrayed waveguide. The thickness of the core layer in the waveguide portion is made smaller than the thickness of the core layer in the arrayed waveguide portion, and the difference in polarization dependence of the equivalent refractive index of the slab waveguide is set as shown in the following formula (1). arrayed waveguide grating device characterized such Rukoto.

An optical waveguide circuit having a first slab waveguide connected to at least one input waveguide and a second slab waveguide connected to at least one output waveguide at both ends of the arrayed waveguide. The composition wavelength of the core layer of the waveguide portion is made of a material having a wavelength shorter than the composition wavelength of the core layer of the arrayed waveguide portion, and the difference in polarization dependence of the equivalent refractive index of the slab waveguide is expressed by the following equation (1). arrayed waveguide grating device to be set to a characteristic of Rukoto as.

4. The arrayed waveguide grating element according to claim 1, wherein the thickness of the cladding layer in the slab waveguide region is 0.4 [mu] m or less .