JP4153613B2

JP4153613B2 - Wavelength selective filter element and optical integrated circuit

Info

Publication number: JP4153613B2
Application number: JP00020299A
Authority: JP
Inventors: 勝之宇高; 信介田中; 昌克堀田; 裕一松島
Original assignee: Waseda University; KDDI Corp
Current assignee: Waseda University; KDDI Corp
Priority date: 1999-01-04
Filing date: 1999-01-04
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2019-01-04
Also published as: JP2000199825A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長多重光ファイバ通信用において任意の波長を分波する波長選択フィルタ素子に係り、特にアレー導波路素子を用いた波長選択フィルタ素子及びこの波長選択フィルタ素子を搭載した光集積回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年光ファイバ通信において一層の大容量化への需要が高まっている。そのため複数の波長を搬送波に用いた波長多重通信方式の導入が順次進められている。波長多重通信方式は、大容量化のみならず、必要な所に必要な容量のネットワークを拡充するというシステムの拡張性・柔軟性に対しても大きな効果を有している。将来高度ネットワーク化に対応するために、多重波長の一層の高密度化が不可欠となるが、このような高密度波長多重通信方式を実現する上で高性能狭帯域波長選択フィルタが極めて重要である。それを実現する従来例として、図１４に示すような長さがほぼ一定長ずつ異なる複数のアレー導波路を用いたアレー導波路型グレーティング（ＡＷＧ）素子が注目されている。このＡＷＧ素子は、１本の入力導波路、例えば入力導波路２２１からの入力光を入力側スラブ型スターカプラー２０１により拡散させ、前方に配置したアレー導波路２３１，２３２，…，２３（ｎ−１），２３ｎに入力させる。アレー導波路２３１，２３２，…，２３（ｎ−１），２３ｎはそれぞれ導波路長が一定の長さΔＬだけ異なっており、それぞれの出射端では導波路長差に伴う遅延が与えられている。そしてアレー導波路２３１，２３２，…，２３（ｎ−１），２３ｎの出力端を再度別の出力側スターカプラー２０２により合波することにより、上記遅延に伴う位相差に基づき干渉し合い、出力側スターカプラーの出力端において出力の波長依存性、すなわち分散特性ｄｘ／ｄλを示す。この線分散に基づき、所望の出力導波路２４１，２４２，…より所望の波長の出力を得ることができる。ＡＷＧ素子は導波路長差ΔＬに比例して回折次数ｍが大きくとれることから、線分散も大きく取ることができ、従って、ｎ×ｎの多チャンネル波長分離動作においても低クロストークで動作が可能であるという特徴を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところでＡＷＧ素子の波長選択性などの波長特性はアレー導波路長差ΔＬや導波路本数、スターカプラー長などに依存する。これまでサブ・ナノメータ（ｎｍ）のチャンネル間隔で３２チャンネルの多重・分離用ＡＷＧ素子として、ガラス導波路を用いたもので導波路長差は約６０μｍ、導波路本数は１２０が報告されているが、その全体のチップサイズは４０ｍｍ角と大きなものになる。このように全体のチップサイズが大きくなるのは、図１４に示すような構造の必然的な結果である。すなわち、図１４に示すような構造においては、１００本ものアレー導波路を、過剰損失を避けるためにゆったりと基板面上に配置する必要があるからである。今後一層の高集積化が望まれる光集積回路において、アレー導波路がこのように大きな面積を必要とすることは実用上大きな問題である。
【０００４】
本発明は前記の従来技術の問題点を解決するためになされたもので、コンパクトで高集積化に向いたアレー導波路素子を用いた波長選択フィルタ素子を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明の他の目的は、アレー導波路素子を用いた波長選択フィルタ素子を搭載したコンパクトで高集積化された光集積回路を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴は、波長多重光が２つの反射面の間を多重反射して伝搬すべく構成された第１の導波路列と、前記２つの反射面のうちのいずれか一方の端もしくは反射面間の前記第１の導波路列に結合した第２の導波路列と、該第２の導波路列に結合した合波器と、該合波器に結合した第３の導波路列を備え、前記第１の導波路列は、前記第２の導波路列を構成する各導波路との結合までの導波路長差に伴う位相差をもって前記波長多重光を前記第２の導波路列に入射させ、前記合波器は、前記第２の導波路列を構成する各導波路からそれぞれ出射する前記波長多重光の位相差に基づく干渉により各波長の光を分離し、前記第３の導波路列に入射させることを特徴とする波長選択フィルタ素子であることである。ここで、合波器としてはスターカプラー等が代表的に使用できる。具体的には、第１の導波路列は、２つの反射面の間を連続的に折れ曲がりジグザグに構成しても良く、このジグザグ形状にさらに折れ曲がり部や湾曲部を形成しても良い。「各反射面端から結合した」とは、劈開面等の反射面から透過してきた出力光と結合する意であり、「反射面間の導波路列に結合した」とは、第1の導波路列の左右若しくは上下に第２の導波路列を隣接して配置し２つの導波路間のカップリングにより出力光を第２の導波路列に取り出す意である。
【０００７】
本発明の第１の特徴においては、波長多重光を２つの反射面の間を斜めに多重反射させることにより光信号出力に一定の光路長差を与え、位相差を生じさせている。したがって、本発明の第１の特徴によれば、位相差が制御されたアレー出力光が簡単な構造で得られる。このように多重反射を利用することで、長手方向は基本的には導波路幅オーダーの距離に導波路本数を乗じたオーダーの寸法、またその横手方向はデバイス特性に必要な位相差に対応した導波路長の寸法ですむため、極めてコンパクトなアレー導波路を実現することが出来る。
【０００９】
また、本発明の第１の特徴によれば、位相差が制御されたアレー出力光が、２つの反射面の間を斜めに多重反射させることにより光路長差を与えるという簡単な構造で得られる。従って、長手方向は基本的には導波路幅オーダーの距離に導波路本数を乗じたオーダーの寸法、またその横手方向はデバイス特性に必要な位相差に対応した導波路長の寸法ですむため、極めてコンパクトなアレー導波路を実現出来る。このため、スターカプラー等の合波器を含めても極めて小型化が可能となる。従って、このコンパクト性ゆえ半導体導波路に容易に適用ができ、アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子が簡単に実現できる。
【００１０】
本発明の第１の特徴において、第１の導波路列もしくは第２の導波路列を構成する各導波路を伝搬する光の位相もしくは振幅を独立に制御する機構を追加すれば、高機能波長選択フィルタ素子を実現することができる。導波路の位相・振幅を制御するには、半導体固有の大きな屈折率変化や光増幅機能を利用すればよい。
【００１１】
本発明の第２の特徴は、波長多重光が２つの反射面の間を多重反射して伝搬すべく構成された第１の導波路列と、前記２つの反射面のうちのいずれか一方の端もしくは反射面間の前記第１の導波路列に結合した第２の導波路列と、該第２の導波路列に結合した合波器と、該合波器に結合した第３の導波路列を備え、前記第１の導波路列は、前記第２の導波路列を構成する各導波路との結合までの導波路長差に伴う位相差をもって前記波長多重光を前記第２の導波路列に入射させ、前記合波器は、前記第２の導波路列を構成する各導波路からそれぞれ出射する前記波長多重光の位相差に基づく干渉により各波長の光を分離し、前記第３の導波路列に入射させる波長選択フィルタ素子と、前記第１の導波路列の入力端に結合された発光素子及び前記第３の導波路列の出力端に結合された受光素子の少なくとも一方とを同一基板上に形成したことを特徴とする光集積回路であることである。
【００１２】
本発明の第２の特徴においては、２つの反射面の間を斜めに多重反射させることにより光信号出力に位相差を生じさせ所望の波長の光を選択できる。多重反射を利用するためには、長手方向は導波路幅オーダーの距離に導波路本数を乗じたオーダーの寸法、またその横手方向は光集積回路の特性に必要な位相差に対応した導波路長の寸法でよい。従って、極めてコンパクトな光集積回路を実現することが出来る。
【００１４】
また、本発明の第２の特徴においては、２つの反射面の間を斜めに多重反射させることにより光信号出力に位相差を生じさせ、所望の波長の光を選択できる。多重反射を利用しているので、長手方向は導波路幅オーダーの距離に導波路本数を乗じたオーダーの寸法、またその横手方向は光集積回路の特性に必要な位相差に対応した導波路長の寸法でよい。このため、スターカプラー等の合波器を搭載した極めて小型化された光集積回路が可能となる。さらに、このコンパクト性ゆえ半導体基板上に集積化も容易であり、アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子を簡単、且つ高密度に集積化できる。
本発明の第２の特徴においても、第１の導波路列もしくは第２の導波路列を構成する各導波路を伝搬する光の位相もしくは振幅を独立に制御する機構を追加すれば、コンパクトな高機能光集積回路を実現することができる。
【００１５】
本発明の第２の特徴に係る光集積回路は、必ずしも、半導体基板上にモノリシックに集積化されている必要はない。絶縁基板上に波長選択フィルタ素子、及び発光素子と受光素子の少なくとも一方が実装されたハイブリッド集積回路でもかまわない。さらに、これ以外の種々の半導体チップ回路素子が実装されていてもかまわない。「少なくとも一方を同一基板上に形成」であるから、同一基板上に発光素子と受光素子の両方が搭載されてもよく、いずれか一方を省略してもかまわない。すなわち、発光素子と光回路素子とが集積化された送信用光集積回路及び、受光素子と光回路素子とが集積化された受信用光集積回路とに分けてもかまわない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施形態に係る多重反射アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子の基本的な構造を示す模式的な平面図を示す。ここでは材料としてＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰを用いた例について説明する。図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る波長選択フィルタ素子は、光が２つの反射面３，４の間を多重反射して伝搬すべく構成された第１の導波路列８と、各反射面３，４の端に結合した第２の導波路列（出力導波路列）９１，９２，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎとから構成されている。ジグザグ形状の第1の導波路列８は、幅約２μｍのＩｎＧａＡｓＰ導波路で構成された多重反射アレー導波路で、その入力端は、ＩｎＧａＡｓＰもしくは光ファイバなどの外部導波路（入力導波路）５に接続されている。第1の導波路列（多重反射アレー導波路）８は、ＩｎＧａＡｓＰもしくはＩｎＰクラッド領域からなるアレー導波路領域２に配置されている。このアレー導波路領域２の両側は、ＩｎＧａＡｓＰもしくはＩｎＰ外部クラッド領域（または空気）６，７である。
【００１８】
本発明の動作原理は以下の通りである。すなわち、多重反射アレー導波路８の左端に接続された外部導波路５より強度Ｐ_ｉなる入力光を入力させると、この入力光は多重反射アレー導波路８の左の導波路より、反射面３及び４の間を順次多重反射して右の方向にジグザグに伝搬する。この際、各アレー導波路８の反射面３への入射角θを、例えば約１５°と全反射の臨界角（約１７．６°）よりやや小さく取ることにより、その時の透過率に基づき一定の透過出力光Ｐ_０，１，Ｐ_０，２，…，Ｐ_{０，ｎ−１}，Ｐ_０，ｎ、を得ることが出来る。この時、これらの出力光は、反射面３，４間の往復導波路長に基づく位相差を与えることが出来る。すなわち、反射面間の間隔をｌ，アレー導波路の反射面に対する入射角をθ一定とすると、一往復導波路長は、
Ｌ_０＝２ｌ／cos θ …(1)
となるため、
φ＝２πｎ0Ｌ0／λ …(2)
なる位相差を有する透過波が各出力導波路９１，９２，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎから出力される。但し、λは光の波長、ｎ0はアレー導波路の等価屈折率である。これらの等位相差を有する光をスラブ導波路内で合波すると、
ｎsｄ sin θ＋ｎ0ΔＬ＝ｍλ …(3)
なる回折条件を満たす離散的波長のみがθの方向に回折される。但し、ｎsはスラブ導波路の透過屈折率、ｄは出力導波路間隔、ｍは整数である。また、回折角とスラブ導波路の焦点距離ｆより、線分散特性は、
ｄｘ／ｄλ＝ｆｍ／（ｎsｄ） …(4)
で与えられる。但し、ｘは出力導波路の横方向の位置である。
【００１９】
ここで、数値的な具体例を示し、本発明の有利な効果を示す。まず図１４に示した従来技術によるアレー導波路を実現するのに必要な寸法を考える。材料としてＩｎＰ系の半導体アレー導波路について取り上げ、波長はλ＝１．５５μｍ、屈折率ｎ_ｓ＝３．３とする。出力導波路間隔としてｄ＝１０μｍ、チャンネル間隔をδλ＝０．８ｎｍとすると、線分散は(4)式よりｄｘ／ｄλ＝ｄ／δλ＝１２５００となり、焦点距離をｆ＝２５０μｍとすると、回折次数はｍ＝１６５０となる。このような大きな回折次数を実現するためには、(3)式よりアレー導波路の導波路長差にしてΔＬ＝７７５μｍが必要となる。アレー導波路本数として、通常３０本程度必要なことから、大雑把に見積もっても数ｍｍ程度のアレー導波路領域が必要となることが分かる。他方、本発明によるアレー導波路では、各導波路が２つの反射面間で多重反射することにより導波路長差が得られることから、長さｌはΔＬの概ね半分の約３８０μｍ、また幅ｗは、反射面への入射角と必要導波路本数、さらに曲がり導波路８の導入などにより約６００μｍという非常にコンパクトな寸法で実現することが出来る。
【００２０】
反射面３，４の構造は種々のものが採用できる。たとえば、導波路構造の変化などにおいて反射を得ることが出来る。その一例を反射部の１カ所について図２に示す。本構造は導波路構造としていわゆるリッジ構造を用いた例である。このリッジ構造（リッジ導波路）８はＩｎＰ基板１０の上に、膜厚０．５μｍのＩｎＧａＡｓＰ第１導波路層１１、膜厚０．２μｍのＩｎＰ中間層１２、膜厚０．２μｍのＩｎＧａＡｓＰ第２導波路層１３、膜厚１．０μｍのＩｎＰクラッド層１４を順次積層した多層構造を基礎として構成されている。そしてこの多層構造を図２に示すような上面パターンがジグザグ形状となるリッジ導波路に形成してアレー導波路８を構成している。図２に示す構造における反射面は、リッジ導波路８と空気との界面１５及びリッジ導波路を構成する第２導波路層１３の不連続面１６である。不連続面１６からなる反射面には、幅３μｍのリッジ構造出力導波路（リッジ導波路）９１が結合している。
【００２１】
通常反射面１５は全反射であるが、反射面１６においてはアレー導波路８と出力導波路９１の構造の差により決定される反射率を有する反射が引き起こされ、その残りが出力導波路９１に透過される構造となっている。このリッジ導波路の構造差による反射は、入射角を大きくしても、その反射率はせいぜい１０％程度とあまり大きくないため、出力導波路列数も数本で機能するデバイスに限定される。
【００２２】
図２に示す波長選択フィルタ素子の素子構造は、以下のような製造プロセスで作成できる。
【００２３】
（イ）まず、減圧有機金属気相エピタキシャル成長法（減圧ＭＯＶＰＥ法）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）、化学ビームエピタキシャル成長法（ＣＢＥ法）、あるいは液相エピタキシャル成長法（ＬＰＥ）を用いて、ＩｎＰ基板１０上にＩｎＧａＡｓＰ第１導波路層１１、ＩｎＰ中間層１２、ＩｎＧａＡｓＰ第２導波路層１３、ＩｎＰクラッド層１４を順次形成する。例えば減圧ＭＯＶＰＥ法で成長する場合、圧力１００Ｐａにおいて、基板温度６００℃で、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｓＨ_３（アルシン）とＰＨ_３（フォスフィン）を導入しＩｎＧａＡｓＰ第１導波路層１１を成長し、次にＴＭＩｎとＰＨ_３とによりＩｎＰ中間層１２を、さらにＴＭＩｎ、ＴＥＧ、ＡｓＨ_３とＰＨ_３とによりＩｎＧａＡｓＰ第２導波路層１３を成長し、最後にＴＭＩｎとＰＨ_３とによりＩｎＰクラッド層１４を形成すればよい。ＡｓＨ_３のかわりにＴＢＡ（ターシャリー・ブチル・アルシン（（Ｃ_４Ｈ_９）ＡｓＨ_２）を用いてもよい。
【００２４】
（ロ）次に、このウェハ上にフォトレジストでリッジ構造形成のための第１のエッチング用マスクパターンを形成する。このマスクパターンを用いてＩｎＰクラッド層１４、ＩｎＧａＡｓＰ第２導波路層１３、ＩｎＰ中間層１２をＲＩＥ法あるいはＥＣＲイオンエッチング法等のドライエッチングによりエッチングして、図２に示すようなリッジ構造を形成する。この第１のエッチングにおいては、不連続面１６はまだ形成されず、不連続面１６形成予定の部分から同一の多層構造がリッジ構造出力導波路９１形成予定部の上部に連続して形成されている。ドライエッチング以外にも、ウェット化学エッチングも採用できる。この場合は、塩酸系／硫酸系の選択エッチングを駆使することにより、ＩｎＰ中間層１２でエッチングを停止することができる。
【００２５】
（ハ）次に、第１のエッチング用マスクパターンを除去し、リッジ構造出力導波路９１を形成するための第２のエッチング用マスクパターンをフォトレジストで形成する。この第２のエッチング用マスクパターンは、リッジ構造出力導波路９１形成予定部の上部のみに窓部を有するマスクパターンである。そして、この第２のエッチング用マスクパターンを用いて、ＲＩＥ法あるいはＥＣＲイオンエッチング法等のドライエッチング若しくはウェット化学エッチングを実行することにより、ＩｎＰクラッド層１４及びＩｎＧａＡｓＰ第２導波路層１３を選択的に除去すれば、図２に示すような不連続面１６及びリッジ構造出力導波路９１が完成する。
【００２６】
本発明の第１の実施の形態の変形例に係る波長選択フィルタ素子を図３に示す。この波長選択フィルタ素子は、曲がり導波路を導入した構造である。ここに、曲がり導波路８の曲率半径は、曲がり導波路８とクラッド領域の屈折率差にもよるが、約３００〜４００μｍとすることによりほぼ無放射損失とすることができる。また、連続曲がり導波路ではなく、連続折れ曲がり導波路でも放射損失を極めて小さくすることができる。
【００２７】
（第２の実施の形態）本発明の第１の実施形態では本発明の波長選択フィルタ素子の基本構成に基づいて説明を行った。その中で説明に用いた図１及び図３は、第１の導波路列８の反射面３，４への入射角が一定値θ、すなわち反射率が一定の場合について示したものである。本発明では、第１の導波路列８からの各出力光列Ｐ０，１，Ｐ０，２，…，Ｐ０，ｎ−１，Ｐ０，ｎは従属して出力されるため、反射率一定では後段に行くほど出力光は等比級数的に減少することになる。しかるに、場合に応じて各出力光Ｐ０，１，Ｐ０，２，…，Ｐ０，ｎ−１，Ｐ０，ｎを一定にする必要がある。その場合には、反射率が入射角に依存する性質を用いて、後段に進むほど入射角が小さくすればよい。すなわち、図４に示すように出射光側の反射面３に対する入射角をθ１＞θ２＞θ３…＞θｎ−１と一定の規則で後段に行くほど小さくすることにより、各出射光Ｐ０，１，Ｐ０，２，…，Ｐ０，ｎ−１，Ｐ０，ｎを一定にすることが出来る。因みに、このように後段に進むほど入射角が小さくすると、図１のような反射面３，４間の距離ｌが一定の構造では、反射面間の導波路長差がそれに応じて短くなるため、各出力光の位相差を一定としたい場合は不都合となる。そこで、図４では、反射面３，４間の導波路での位相差を一定、すなわち導波路長差を一定とするために、反射面間の間隔を１１＜１２＜１３…＜１ｎー１＜１ｎと次第に長くした波長選択フィルタ素子を示している。具体的数値例として、各反射点のθの差を約０．５°とすると、反射面間の導波路長差は約３μｍとなる。
【００２８】
図４は反射面間の間隔が段々に変化した構造であるが、同様の効果は、図５に示すように連続的に反射面３，４間の間隔が広くなる構造においても達成される。
【００２９】
（第３の実施の形態）図６はアレー導波路から出力導波路間への比較的小さい入射角で、その反射率を大きく取れ、かつ精密に制御することが出来る構造を用いた第３の実施の形態に係る波長選択フィルタ素子の平面図である。図７は反射部の一カ所の部分の斜視図である。
【００３０】
図６に示すように、本発明の第３の実施形態に係る波長選択フィルタ素子は、光が２つの反射面４，１６の間を多重反射して伝搬すべく構成された第１の導波路列８と、各反射面４，１６端に結合した第２の導波路列（出力導波路列）９１，９２，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎとから構成されている。ジグザグ形状の第1の導波路列８は、幅約２μｍのＩｎＧａＡｓＰ導波路で構成された多重反射アレー導波路で、その入力端は、入力導波路５に接続されている。第1の導波路列（多重反射アレー導波路）８は、アレー導波路領域２に配置されている。このアレー導波路領域２の両側は、ＩｎＧａＡｓＰもしくはＩｎＰ外部クラッド領域（または空気）６，７である。
【００３１】
図７に示すように、本発明の第３の実施形態においては、アレー導波路領域２と出力導波路９１間に、エバネッセント光で結合する例えば１μｍ程度以下の基板まで掘り込まれた微小幅の溝１７か、もしくは、第１導波路層１１が途中まで除去された溝１７が形成されている。この溝１７の幅及び深さを調整することにより、反射面１６での反射率を精密に制御することが出来る。例えば、第１導波路１１の膜厚を０．５μｍとした場合、０．３μｍ程度以上の深さ及び０．５μｍ程度以下の幅にエッチングして溝１７を設けることにより、反射面１６への入射光は基本的に全反射されるが、エバネッセント光として出力導波路９１にその一部の光が結合される。この結合度は溝１７の幅や深さ、さらに溝１７にシリコン系又は有機物系の何らかの誘電媒質を充填することで調節できるため、所望の反射率に精度良く設定することが出来る。なお導波路厚や幅などの寸法や作製法は本発明の第１の実施の形態と同様である。
【００３２】
（第４の実施の形態）アレー導波路から各出力導波路への透過効率の精密な制御は結合導波路を用いることによっても達成することができる。図８に結合方法として並列結合導波路を用いた本発明の第４の実施の形態に係るアレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子の構造を示す。また、導波路構造としてリッジ構造について示してある。
【００３３】
図８に示すように、本発明の第３の実施形態に係る波長選択フィルタ素子は、光が２つの反射面１５；１７１，・・・・・・・，１７ｎの間を多重反射して伝搬すべく構成された第１の導波路列８と、各反射面１５；１７１，・・・・・・・，１７ｎの間の導波路８に結合したに結合した第２の導波路列（出力導波路列）１９１，・・・・・，１９ｎとから構成されている。ジグザグ形状の第1の導波路列８は、幅約２μｍのリッジ型多重反射アレー導波路である。このリッジ構造はＩｎＰ基板１０の上に、膜厚０．５μｍのＩｎＧａＡｓＰ第１導波路層１１、膜厚１．０μｍのＩｎＰクラッド層１４を順次積層した多層構造を基礎として構成されている。そしてこの多層構造を図８に示すような上面パターンがジグザグ形状となるリッジに形成してアレー導波路８を構成している。図８に示す構造における一方の反射面１５は、第１の実施の形態に示した通りのリッジ導波路８と空気との界面であるが、他方の反射面はエッチングミラー面１７１，・・・・・・・，１７ｎを採用している。
【００３４】
上記のように、本発明の第４の実施の形態に係る反射型アレー導波路の構造自体は、第１の実施の形態に示した構造とほぼ共通であるが、本発明の第４の実施の形態においては、出力導波路１９１，・・・・・，１９ｎとしてアレー導波路８と結合した結合導波路１９１，・・・・・，１９ｎを用いた点が相違する。出力導波路１９１，・・・・・，１９ｎから所望の出力光Ｐ_０，１，…，Ｐ_０，ｎ強度を透過させる調整は、各アレー導波路８での結合部の結合効率、すなわち結合部長さｌ_ｃ，ｎもしくは導波路間の間隔ｄを導波路ごとに変化させることにより容易に高精度で制御することができる。同時に、上述の実施の形態と異なり、所定強度の出力光を得るのに端面反射率の制御を行う必要がないため、反射型アレー導波路の端面反射率を全反射にすることが可能であり、反射面への入射角も単に全反射角以上とすれば良いので作製条件が極めて緩和される。図８では、全反射面として一方はへき開反射面１５を、他方は半導体の一部を溝状に掘り込んだエッチングミラー面１７１，・・・・・・・，１７ｎを用いた。このエッチングミラー面形成用の溝は、エッチングミラー面で全反射が得られるようにウェットもしくはドライエッチングにより幅１０〜２０μｍ程度で導波路層１１が空気と接する程度に形成されていればよい。本発明の第４の実施の形態では結合導波路として並列結合導波路型について示したが、並列結合導波路のみならず積層結合導波路によっても実現することができ、また交差型や回折格子結合型など導波路間の結合が得られる構造で有れば同様の機能が達成される。
【００３５】
（第５の実施の形態）図９は本発明の第５の実施の形態に係る波長選択フィルタ素子の鳥瞰図である。本発明の第５の実施の形態に係る波長選択フィルタ素子は、図９に示すように、光が２つの反射面４；１７１，１７２，１７３，・・・・・・，１７（ｎ−１），１７ｎの間を多重反射して伝搬すべく構成された第１の導波路列８と、各反射面間の導波路列８に結合した第２の導波路列１９１，１９２，・・・・・，１９（ｎ−１），１９ｎと、この第２の導波路列１９１，１９２，・・・・・，１９（ｎ−１），１９ｎに結合した合波器（出力側スターカプラー）２０２と、この合波器（出力側スターカプラー）２０２に結合した第３の導波路列２１１，２１２，・・・・・，２１（ｎ−１），２１ｎとから構成されている。更に、本発明の第５の実施の形態に係る波長選択フィルタ素子は、第２の導波路列を構成する各導波路１９１，１９２，・・・・・，１９（ｎ−１），１９ｎを伝搬する光の位相を制御する機構（位相調整器）１９及び振幅を制御する機構（振幅調整器）１８を有する。
【００３６】
本発明の第５の実施の形態に係る波長選択フィルタ素子の動作原理は以下の通りである。波長選択フィルタ素子では位相調整を行う各導波路に所望の光量の入射光を入射する必要があるが、まず本発明による反射型アレー導波路８より波長多重信号光である入射光Ｐｉを、各出力導波路１９１，１９２，１９３，…，１９（ｎ−１），１９ｎに適当な強度で出力させる。そして各出力導波路１９１，１９２，１９３，…，１９（ｎ−１），１９ｎでは、振幅調整器１８により振幅がａ１，ａ２，ａ３，…，ａｎ−１，ａｎに、さらに位相調整器１９により位相がφ１，φ２，φ３，…，φｎ−１，φｎに制御され、出力側スターカプラー２０２により合波され、干渉に応じて分離された波長がそれぞれの最終出力導波路２１１，２１２，…，２１（ｎ−１），２１ｎより出力される。すなわち本発明の第５の実施の形態に係る波長選択フィルタ素子はコヒーレントトランスバーサルフィルタとして機能し、任意の波長λｉを任意の出力導波路２１１，２１２，…，２１（ｎ−１），２１ｎより取り出すことができる。ここで振幅調整器１８としては半導体光増幅器もしくは電気吸収型光変調器を用いることが可能である。また、位相調整器１９としては、電流注入もしくは電界印加による半導体の屈折率変化を利用してその機能を達成することができる。図９では本発明による反射型アレー導波路１の反射面１７１，１７２，１７３，…，１７（ｎ−１），１７ｎへの入射角がθと一定、すなわち反射率は一定であるため出力導波路１９１，１９２，１９３，…，１９（ｎ−１），１９ｎの番号ｎが先に進むにつれその透過光量は等比級数的に減少する。従って、各出力導波路１９１，１９２，１９３，…，１９（ｎ−１），１９ｎとアレー導波路（第１の導波路列）８との結合部の長さｌＣ，ｎを調整するか、もし一定ならこれも考慮して振幅調整器１８の透過率（増幅率）を設定することとなる。振幅調整器１８も位相調整器１９もその長さは約数１００μｍ程度でよく、電流注入量は数１０ｍＡで所望の効果を得ることが出来る。
【００３７】
図１０は本発明の第５の実施の形態の変形例に係る波長選択フィルタ素子の平面図である。本発明の第５の実施の形態の変形例に係る波長選択フィルタ素子は、図１０に示すように、光が２つの反射面３，４の間を多重反射して伝搬すべく構成された第１の導波路列８と、第１の導波路列８の各反射端３に結合した第２の導波路列９１，９２，９３，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎと、第２の導波路列９１，９２，９３，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎに結合した合波器（出力側スターカプラー）２０２と、この合波器（出力側スターカプラー）に結合した第３の導波路列２１１，２１２，・・・・・，２１（ｎ−１），２１ｎとから構成されている。更に、本発明の第５の実施の形態の変形例に係る光トランスバーサルフィルタは、第１の導波路列８を構成する各導波路を伝搬する光の位相を制御する機構（位相調整器）１９及び振幅を制御する機構（振幅調整器）１８を有する。
【００３８】
図１０のように振幅調整器１８及び位相調整器１９が反射型アレー導波路８に配置されていても、図９と同様の機能を達成することが出来る。この場合は前段の振幅及び位相調整条件が後段にも影響するため、その分を考慮して各調整器１８，１９のパラメータを設定する必要がある。
【００３９】
（第６の実施の形態）図１１は本発明の第６の実施の形態に係る光集積回路の平面図である。本発明の第６の実施の形態に係る光集積回路は、図１１に示すように同一基板（半導体チップ）６００上に、第１の実施の形態で説明した第１の導波路列８を具備した波長選択フィルタ素子と、第１の導波路列８の入力端に接続された入力導波路４１１に結合された発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎと、波長選択フィルタ素子を構成している第２の導波路列９１，９２，９３，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎの出力側に結合された受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎとから構成されている。ここで、波長選択フィルタ素子は、２つの反射面３，４の間を多重反射して伝搬すべく構成された第１の導波路列８と、各反射面３，４の端に結合した第２の導波路列（出力導波路列）９１，９２，９３，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎとから構成されている。ジグザグ形状の第1の導波路列８は、例えば、幅約２μｍのＩｎＧａＡｓＰ導波路で構成すれば良い。発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎはたとえばＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰレーザダイオード等で構成すればよい。受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎも発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎと禁制帯幅が同一かそれよりも小さい同様な構造のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰフォトダイオードで構成すれば高効率の光検出が可能である。発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎと入力導波路４１１との間には合波回路４０１が配置され、発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎからのそれぞれ波長の異なる入力光は、導波路３１１，３１２，・・・・・，３１（ｎ−１），３１ｎを介して、合波回路４０１に導かれ合波される。
【００４０】
合波回路４０１からの波長多重化された光信号は、２つの反射面３，４の間を斜めに多重反射させることにより各反射面からの光信号出力に一定の規則で光路長差を与えられ、位相差が制御されたアレー出力光となり受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎに導かれる。このように多重反射を利用することで、長手方向は基本的には導波路幅オーダーの距離に導波路本数を乗じたオーダーの寸法、またその横手方向はデバイス特性に必要な位相差に対応した導波路長の寸法ですむため、極めてコンパクトなアレー導波路が実現され、この結果、極めてコンパクトな光集積回路が実現できる。
【００４１】
図１１に示す合波回路４０１は、単なる合波器として機能するだけでなく、光論理演算を行うことの出来るような、より高機能な合波回路でもよい。更に、図１１に示す合波回路４０１は光増幅機能を有した合波回路等であってよい。また、合波回路４０１と第１の導波路列８の入力端との間に他の光回路素子や光機能素子が挿入されてもかまわない。同様に、第２の導波路列９１，９２，９３，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎと受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎとの間に他の光回路素子や光機能素子が挿入されてもかまわない。
【００４２】
図１２は本発明の第６の実施の形態の変形例に係る光集積回路の平面図である。本発明の第６の実施の形態の変形例に係る光集積回路は、図１２に示すように同一基板（半導体チップ）６００上に、第１の導波路列８を具備した光回路素子と、第１の導波路列８の入力端に接続された入力導波路４１１に結合された発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎと、第１の導波路列８の各反射端３に結合した第２の導波路列９１，９２，９３，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎと、第２の導波路列９１，９２，９３，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎに結合した合波器（出力側スターカプラー）２０２と、この合波器（出力側スターカプラー）に結合した第３の導波路列２１１，２１２，２１３，・・・・・，２１（ｎ−１），２１ｎと、第３の導波路列２１１，２１２，２１３，・・・・・，２１（ｎ−１），２１ｎの出力側に結合された受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎとから構成されている。ジグザグ形状の第1の導波路列８は、例えば、幅約２μｍのＩｎＧａＡｓＰ導波路で構成すれば良い。更に、本発明の第６の実施の形態の変形例に係る光集積回路は、第１の導波路列８を構成する各導波路を伝搬する光の位相を制御する機構（位相調整器）１９及び振幅を制御する機構（振幅調整器）１８を有する。発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎは、たとえばＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰレーザダイオード等で構成すればよい。また、受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎも発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎと禁制帯幅が同一かそれよりも小さい同様な構造のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰフォトダイオードで構成すれば高効率の光検出が可能である。発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎと入力導波路４１１との間には合波回路４０１が配置され、発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎからのそれぞれ波長の異なる入力光は、導波路３１１，３１２，・・・・・，３１（ｎ−１），３１ｎを介して、合波回路４０１に導かれ合波される。
【００４３】
合波回路４０１からの波長多重化された光信号は、２つの反射面３，４の間を斜めに多重反射させることにより各反射面からの光信号出力に一定の規則で光路長差を与えられ、位相差が制御されたアレー出力光となり受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎに導かれる。さらに、本発明の第６の実施の形態の変形例に係る光集積回路においては、第１の導波路列８を構成する各導波路において、振幅調整器１８により振幅がａ_１，ａ_２，ａ_３，…，ａ_ｎ−１，ａ_ｎに、さらに位相調整器１９により位相がφ_１，φ_２，φ_３，…，φ_ｎ−１，φ_ｎに制御され、出力側スターカプラー２０２により合波される。出力側スターカプラー２０２で干渉に応じて分離された波長は、それぞれの最終出力導波路２１１，２１２，…，２１（ｎ−１），２１ｎより出力され、受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎで検出される。すなわち本発明の第６の実施の形態の変形例に係る光集積回路はコヒーレントトランスバーサルフィルタとしての機能を有した導波路を具備し、任意の波長λｉを任意の受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎで検出することができる。本発明の第６の実施の形態の変形例に係る光集積回路においては、多重反射を利用することで、長手方向は基本的には導波路幅オーダーの距離に導波路本数を乗じたオーダーの寸法、またその横手方向はデバイス特性に必要な位相差に対応した導波路長の寸法ですむため、極めてコンパクトな光集積回路が実現できる。
【００４４】
図１１に示す合波回路４０１は、単なる合波器として機能するだけでなく、光論理演算を行うことの出来るような合波回路でもよい。また、合波回路４０１と第１の導波路列８の入力端との間、第２の導波路列９１，９２，９３，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎと合波器（出力側スターカプラー）２０２との間、若しくは、合波器（出力側スターカプラー）２０２と受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎとの間に他の光回路素子や光機能素子が挿入されてもかまわない。
【００４５】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１乃至第６の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４６】
たとえば上記の第１乃至第６の実施の形態ではＩｎＧａＡｓＰ半導体を用いた構造について説明したが、これに限らず導波路としてＳｉＯ_２ガラス平面導波路や他の材料による埋め込み導波路などの各種導波路、振幅調整器としてマッハツェンダ干渉型などの結合可変分岐器、さらに位相調整器として加熱型など他の構造を用いることができるのは言うまでもない。また、上記の第１乃至第６の実施の形態では一方の側のみ出力導波路アレー９１，９２，９３，…，９（ｎ−１），１９ｎを配置させたが、図１３に示すように他方の側にも第２の出力導波路アレー２９１，２９２，２９３，…，２９（ｎ−１），２９ｎを配置すれば一つのアレー導波路により二つのフィルタ機能を同時に達成することが出来る。
【００４７】
また、第６の実施の形態においては半導体チップ上にモノリシックに集積化する光集積回路を一例として示したが、絶縁基板上に種々の半導体チップや発光素子、受光素子、その他の回路素子を実装したハイブリッド集積回路でもかまわないことは勿論である。
【００４８】
さらに、第６の実施の形態においては基板上に発光素子と受光素子の両方が搭載された場合を示したが、いずれか一方を省略してもかまわない。すなわち、発光素子と第１乃至第５の実施の形態で述べた波長選択フィルタ素子とが集積化された送信用光集積回路及び、受光素子と第１乃至第５の実施の形態で述べた波長選択フィルタ素子とが集積化された受信用光集積回路とに分けてもかまわない。
【００４９】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の記載に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、コンパクトなアレー導波路回折格子を用いて高機能波長選択フィルタ素子を実現することができる。
【００５２】
本発明によれば、コンパクトかつ高機能な光集積回路を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る反射型アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子の平面図である。
【図２】図１に示した波長選択フィルタ素子の反射面の構成を示す鳥瞰図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る反射型アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子のの平面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る反射型アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子の平面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の変形例に係る反射型アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子の平面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る反射型アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子の平面図である。
【図７】図６に示した波長選択フィルタ素子の一部の反射面を示す鳥瞰図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係る反射型アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子の鳥瞰図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態に係る波長選択フィルタ素子の鳥瞰図である。
【図１０】本発明の第５の実施の形態の変形例に係る波長選択フィルタ素子の平面図である。
【図１１】本発明の第６の実施の形態に係る光集積回路を示す模式的な平面図である。
【図１２】本発明の第６の実施の形態の変形例に係る光集積回路を示す模式的な平面図である。
【図１３】本発明の他の実施の形態に係る反射型アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子の平面図である。
【図１４】従来の波長選択フィルタ素子の模式図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a wavelength selective filter element for demultiplexing an arbitrary wavelength for wavelength multiplexing optical fiber communication, and more particularly to a wavelength selective filter element using an arrayed waveguide element.ChildFurther, the present invention relates to an optical integrated circuit equipped with this wavelength selective filter element.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there is an increasing demand for higher capacity in optical fiber communication. For this reason, the introduction of wavelength division multiplexing communication systems using a plurality of wavelengths as carrier waves is being promoted. The wavelength division multiplexing communication system has a great effect not only for increasing the capacity but also for the expandability and flexibility of the system by expanding the network with the required capacity where necessary. In order to cope with advanced networking in the future, it is indispensable to increase the density of multiple wavelengths, but a high-performance narrowband wavelength selective filter is extremely important for realizing such a high-density wavelength multiplexing communication system. . As a conventional example for realizing this, an arrayed waveguide grating (AWG) element using a plurality of arrayed waveguides having different lengths as shown in FIG. 14 has attracted attention. In this AWG element, input light from one input waveguide, for example, the input waveguide 221 is diffused by the input-side slab type star coupler 201, and arrayed waveguides 231, 232,. 1) Input to 23n. The arrayed waveguides 231, 232,..., 23 (n−1), and 23n are different from each other by a certain length ΔL, and a delay due to the difference in waveguide length is given at each output end. . Then, the output ends of the arrayed waveguides 231, 232,..., 23 (n−1), 23 n are combined again by another output side star coupler 202 to interfere with each other based on the phase difference accompanying the delay, and output The wavelength dependence of the output, that is, the dispersion characteristic dx / dλ is shown at the output end of the side star coupler. Based on this linear dispersion, an output with a desired wavelength can be obtained from the desired output waveguides 241, 242,. Since the AWG element can increase the diffraction order m in proportion to the waveguide length difference ΔL, the linear dispersion can also be increased. Therefore, even in an n × n multi-channel wavelength separation operation, the operation can be performed with low crosstalk. It has the feature of being.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Incidentally, wavelength characteristics such as wavelength selectivity of the AWG element depend on the array waveguide length difference ΔL, the number of waveguides, the star coupler length, and the like. Up to now, glass waveguides have been used as AWG elements for multiplexing / separation of 32 channels with sub-nanometer (nm) channel spacing, and the waveguide length difference is about 60 μm and the number of waveguides is 120. The overall chip size is as large as 40 mm square. The increase in the overall chip size is an inevitable result of the structure shown in FIG. That is, in the structure as shown in FIG. 14, as many as 100 arrayed waveguides need to be arranged on the substrate surface in order to avoid excessive loss. In an optical integrated circuit for which further higher integration is desired in the future, it is a practical problem that the array waveguide needs such a large area.
[0004]
  The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and is a wavelength selective filter element using an array waveguide element that is compact and suitable for high integration.ChildThe purpose is to provide.
[0005]
  Another object of the present invention is to provide a wavelength selective filter element using an arrayed waveguide element.ChildA compact and highly integrated optical integrated circuit is provided.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, a first feature of the present invention is that a first waveguide array configured to propagate wavelength-multiplexed light by multiple reflection between two reflecting surfaces;One end of the two reflecting surfacesAlternatively, a second waveguide line coupled to the first waveguide line between the reflecting surfaces, a multiplexer coupled to the second waveguide line, and a third waveguide coupled to the multiplexer A first waveguide array, wherein the first waveguide array transmits the wavelength-division-multiplexed light with the phase difference associated with the waveguide length difference up to the coupling with each waveguide constituting the second waveguide array. The light is incident on a waveguide row, and the multiplexer separates light of each wavelength by interference based on a phase difference of the wavelength multiplexed light respectively emitted from the respective waveguides constituting the second waveguide row. The wavelength selective filter element is characterized in that it is incident on the three waveguide rows. Here, a star coupler or the like can be typically used as the multiplexer. Specifically, the first waveguide row may be formed in a zigzag shape that is continuously bent between two reflecting surfaces, and a bent portion or a curved portion may be further formed in this zigzag shape. “Coupled from the end of each reflecting surface” means to couple with output light transmitted from a reflecting surface such as a cleavage plane, and “coupled to a waveguide line between reflecting surfaces” means the first guide. The second waveguide row is arranged adjacent to the left and right or upper and lower sides of the waveguide row, and the output light is extracted to the second waveguide row by coupling between the two waveguides.
[0007]
  In the first feature of the present invention, the wavelength multiplexed light is obliquely multiplexed and reflected between two reflecting surfaces.LightA constant optical path length difference is given to the signal output to cause a phase difference. Therefore, according to the first feature of the present invention, the array output light whose phase difference is controlled can be obtained with a simple structure. By using multiple reflections in this way, the longitudinal direction basically corresponds to the dimension in the order of the waveguide width order multiplied by the number of waveguides, and the lateral direction corresponds to the phase difference required for device characteristics. Since the length of the waveguide is sufficient, an extremely compact array waveguide can be realized.
[0009]
  Also,First of the present invention1According to the features of, RankThe array output light in which the phase difference is controlled can be obtained with a simple structure in which an optical path length difference is given by obliquely performing multiple reflection between two reflecting surfaces. Therefore, the longitudinal direction is basically the dimension of the order of the waveguide width order multiplied by the number of waveguides, and the lateral direction is the waveguide length dimension corresponding to the phase difference required for device characteristics. An extremely compact array waveguide can be realized. For this reason, even if a multiplexer such as a star coupler is included, the size can be extremely reduced. Therefore, because of this compactness, it can be easily applied to a semiconductor waveguide, and an array waveguide is used.Wavelength selective filter elementCan be realized easily.
[0010]
  First of the present invention1'sIn the feature, if a mechanism for independently controlling the phase or amplitude of light propagating through each waveguide constituting the first waveguide row or the second waveguide row is added,Highly functional wavelength selective filter elementCan be realized. In order to control the phase / amplitude of the waveguide, a large refractive index change or optical amplification function inherent to the semiconductor may be used.
[0011]
  According to a second aspect of the present invention, a first waveguide array configured to propagate wavelength multiplexed light by multiple reflection between two reflecting surfaces;One end of the two reflecting surfacesAlternatively, a second waveguide line coupled to the first waveguide line between the reflecting surfaces, a multiplexer coupled to the second waveguide line, and a third waveguide coupled to the multiplexer A first waveguide array, wherein the first waveguide array transmits the wavelength-division-multiplexed light with the phase difference associated with the waveguide length difference up to the coupling with each waveguide constituting the second waveguide array. The light is incident on a waveguide row, and the multiplexer separates light of each wavelength by interference based on a phase difference of the wavelength multiplexed light respectively emitted from the respective waveguides constituting the second waveguide row. At least one of a wavelength selective filter element incident on the third waveguide line, a light emitting element coupled to the input terminal of the first waveguide line, and a light receiving element coupled to the output terminal of the third waveguide line. Are formed on the same substrate.
[0012]
  First of the present invention2In the above feature, a phase difference is generated in the optical signal output by obliquely performing multiple reflections between the two reflecting surfaces, and light having a desired wavelength can be selected. In order to use multiple reflections, the longitudinal direction is a dimension in the order of the waveguide width order multiplied by the number of waveguides, and the transverse direction is the waveguide length corresponding to the phase difference required for the characteristics of the optical integrated circuit. The dimensions are acceptable. Therefore, an extremely compact optical integrated circuit can be realized.
[0014]
  Also,First of the present invention2In this feature, a phase difference is generated in the optical signal output by obliquely performing multiple reflections between the two reflecting surfaces, and light having a desired wavelength can be selected. Since multiple reflection is used, the longitudinal direction is a dimension in the order of the waveguide width order multiplied by the number of waveguides, and the lateral direction is the waveguide length corresponding to the phase difference required for the characteristics of the optical integrated circuit. The dimensions are acceptable. For this reason, a very miniaturized optical integrated circuit equipped with a multiplexer such as a star coupler can be realized. Furthermore, because of this compactness, integration on a semiconductor substrate is easy, and an array waveguide is used.Wavelength selective filter elementCan be integrated easily and with high density.
  Also in the second feature of the present invention, if a mechanism for independently controlling the phase or amplitude of light propagating through each of the waveguides constituting the first waveguide row or the second waveguide row is added, a compact structure can be obtained. A highly functional optical integrated circuit can be realized.
[0015]
  First of the present invention2The optical integrated circuit according to the feature does not necessarily have to be monolithically integrated on the semiconductor substrate. On an insulating substrateWavelength selective filter element, And light emitting deviceWhenA hybrid integrated circuit on which at least one of the light receiving elements is mounted may be used. Further, various other semiconductor chip circuit elements may be mounted. Since “at least one is formed on the same substrate”, both the light emitting element and the light receiving element may be mounted on the same substrate, and either one may be omitted. In other words, it may be divided into a transmission optical integrated circuit in which a light emitting element and an optical circuit element are integrated, and a receiving optical integrated circuit in which a light receiving element and an optical circuit element are integrated..
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0017]
  (First Embodiment) FIG. 1 shows a wavelength selective filter element using a multiple reflection array waveguide according to a first embodiment of the present invention.Of childA schematic plan view showing a basic structure is shown. Here, an example using InGaAsP / InP as a material will be described. As shown in FIG. 1, according to the first embodiment of the present invention.Wavelength selective filter elementIncludes a first waveguide array 8 configured to propagate light by multiple reflection between the two reflecting surfaces 3 and 4, and a second waveguide array coupled to the ends of the reflecting surfaces 3 and 4. (Output waveguide line) 91, 92, ..., 9 (n-1), 9n. The first zigzag-shaped waveguide array 8 is a multiple reflection array waveguide composed of an InGaAsP waveguide having a width of about 2 μm, and its input end is an external waveguide (input waveguide) 5 such as InGaAsP or an optical fiber. It is connected to the. The first waveguide array (multiple reflection array waveguide) 8 is arranged in the arrayed waveguide region 2 composed of an InGaAsP or InP cladding region. Both sides of the arrayed waveguide region 2 are InGaAsP or InP outer cladding regions (or air) 6 and 7.
[0018]
The operating principle of the present invention is as follows. That is, the intensity P is greater than the external waveguide 5 connected to the left end of the multiple reflection array waveguide 8._iWhen the input light is input, the input light is sequentially reflected from the left waveguide of the multiple reflection array waveguide 8 between the reflecting surfaces 3 and 4 and propagates in a zigzag direction in the right direction. At this time, by making the incident angle θ to the reflecting surface 3 of each array waveguide 8 slightly smaller than, for example, about 15 ° and the critical angle of total reflection (about 17.6 °), it is constant based on the transmittance at that time. Transmitted output light P_{0, 1}, P_0,2, ..., P_{0, n-1}, P_{0, n}, Can be obtained. At this time, these output lights can give a phase difference based on the length of the reciprocating waveguide between the reflecting surfaces 3 and 4. That is, if the interval between the reflecting surfaces is 1 and the incident angle with respect to the reflecting surface of the array waveguide is θ constant, the length of one round-trip waveguide is
L₀= 2l / cos θ (1)
So that
φ = 2πn0L0 / λ (2)
, 9 (n−1), 9n are output from the output waveguides 91, 92,..., 9n. Where λ is the wavelength of light and n0 is the equivalent refractive index of the arrayed waveguide. When these lights having the same phase difference are multiplexed in the slab waveguide,
nsd sin θ + n 0 ΔL = mλ (3)
Only discrete wavelengths that satisfy the diffraction condition are diffracted in the θ direction. Here, ns is the transmission refractive index of the slab waveguide, d is the output waveguide interval, and m is an integer. From the diffraction angle and the focal length f of the slab waveguide, the linear dispersion characteristic is
dx / dλ = fm / (nsd) (4)
Given in. Where x is the position in the lateral direction of the output waveguide.
[0019]
Here, a numerical example is shown and the advantageous effect of this invention is shown. First, consider the dimensions required to realize the array waveguide according to the prior art shown in FIG. Taking InP-based semiconductor array waveguide as a material, wavelength is λ = 1.55 μm, refractive index n_s= 3.3. When the output waveguide interval is d = 10 μm and the channel interval is δλ = 0.8 nm, the linear dispersion is dx / dλ = d / δλ = 12,500 from the equation (4), and the focal length is f = 250 μm. M = 1650. In order to realize such a large diffraction order, ΔL = 775 μm is required as the waveguide length difference of the array waveguide from the equation (3). Since about 30 array waveguides are usually required, it is understood that an array waveguide region of about several millimeters is required even if roughly estimated. On the other hand, in the arrayed waveguide according to the present invention, since each waveguide is subjected to multiple reflection between two reflecting surfaces, a waveguide length difference is obtained. Therefore, the length l is approximately 380 μm, which is approximately half of ΔL, and the width w. Can be realized with a very compact size of about 600 μm by the incident angle to the reflecting surface, the number of required waveguides, and the introduction of the bent waveguide 8.
[0020]
Various structures of the reflecting surfaces 3 and 4 can be employed. For example, reflection can be obtained in a change in the waveguide structure. An example of this is shown in FIG. This structure is an example using a so-called ridge structure as a waveguide structure. The ridge structure (ridge waveguide) 8 is formed on an InP substrate 10 with an InGaAsP first waveguide layer 11 having a thickness of 0.5 μm, an InP intermediate layer 12 having a thickness of 0.2 μm, and an InGaAsP second layer having a thickness of 0.2 μm. The structure is based on a multilayer structure in which two waveguide layers 13 and an InP cladding layer 14 having a thickness of 1.0 μm are sequentially stacked. The multi-layer structure is formed in a ridge waveguide having a zigzag upper surface pattern as shown in FIG. The reflecting surface in the structure shown in FIG. 2 is the interface 15 between the ridge waveguide 8 and air and the discontinuous surface 16 of the second waveguide layer 13 constituting the ridge waveguide. A ridge structure output waveguide (ridge waveguide) 91 having a width of 3 μm is coupled to the reflecting surface including the discontinuous surface 16.
[0021]
Normally, the reflection surface 15 is totally reflected, but the reflection surface 16 causes a reflection having a reflectivity determined by the difference in structure between the array waveguide 8 and the output waveguide 91, and the rest is generated in the output waveguide 91. It has a transparent structure. Even if the incident angle is increased, the reflection due to the difference in structure of the ridge waveguide is not so high as 10% at most. Therefore, the number of output waveguide lines is limited to a device that functions with several lines.
[0022]
  Wavelength selective filter element shown in FIG.Of childThe element structure can be created by the following manufacturing process.
[0023]
(A) First, an InP substrate is formed by using a low pressure metal organic vapor phase epitaxial growth method (low pressure MOVPE method), a molecular beam epitaxial growth method (MBE method), a chemical beam epitaxial growth method (CBE method), or a liquid phase epitaxial growth method (LPE). An InGaAsP first waveguide layer 11, an InP intermediate layer 12, an InGaAsP second waveguide layer 13, and an InP cladding layer 14 are sequentially formed on the substrate 10. For example, when growing by the reduced pressure MOVPE method, at a pressure of 100 Pa, at a substrate temperature of 600 ° C., TMIn (trimethylindium), TEG (triethylgallium), AsH₃(Arsine) and PH₃(Phosphine) is introduced to grow an InGaAsP first waveguide layer 11, and then TMIn and PH₃The InP intermediate layer 12 is further added to TMIn, TEG, AsH.₃And PH₃To grow an InGaAsP second waveguide layer 13 and finally TMIn and PH₃Thus, the InP clad layer 14 may be formed. AsH₃Instead of TBA (tertiary butyl arsine ((C₄H₉) AsH₂) May be used.
[0024]
(B) Next, a first etching mask pattern for forming a ridge structure is formed on the wafer with a photoresist. Using this mask pattern, the InP clad layer 14, the InGaAsP second waveguide layer 13, and the InP intermediate layer 12 are etched by dry etching such as RIE or ECR ion etching to form a ridge structure as shown in FIG. To do. In this first etching, the discontinuous surface 16 is not yet formed, and the same multilayer structure is continuously formed from the portion where the discontinuous surface 16 is to be formed to the upper part of the portion where the ridge structure output waveguide 91 is to be formed. Yes. In addition to dry etching, wet chemical etching can also be employed. In this case, the etching can be stopped at the InP intermediate layer 12 by making full use of hydrochloric acid / sulfuric acid based selective etching.
[0025]
(C) Next, the first etching mask pattern is removed, and a second etching mask pattern for forming the ridge structure output waveguide 91 is formed of a photoresist. This second etching mask pattern is a mask pattern having a window portion only above the portion where the ridge structure output waveguide 91 is to be formed. Then, by using this second etching mask pattern, dry etching or wet chemical etching such as RIE method or ECR ion etching method is performed to selectively select the InP cladding layer 14 and the InGaAsP second waveguide layer 13. If completed, the discontinuous surface 16 and the ridge structure output waveguide 91 as shown in FIG. 2 are completed.
[0026]
  Wavelength selective filter element according to a modification of the first embodiment of the present inventionChildAs shown in FIG. This wavelength selective filter elementThe child isIn this structure, a bent waveguide is introduced. Here, the radius of curvature of the bent waveguide 8 depends on the refractive index difference between the bent waveguide 8 and the cladding region, but can be made almost non-radiative loss by setting it to about 300 to 400 μm. Further, the radiation loss can be made extremely small not only in the continuous bent waveguide but also in the continuous bent waveguide.
[0027]
  (Second Embodiment) In the first embodiment of the present invention, the wavelength selective filter element of the present invention is used.Of childThe description is based on the basic configuration. FIGS. 1 and 3 used in the description show the case where the incident angle to the reflecting surfaces 3 and 4 of the first waveguide row 8 is a constant value θ, that is, the reflectance is constant. In the present invention, the output light trains P0, 1, P0, 2,..., P0, n−1, P0, n from the first waveguide train 8 are output as subordinates. The output light decreases geometrically as it goes to. However, it is necessary to make the output lights P0, 1, P0, 2,..., P0, n−1, P0, n constant according to circumstances. In that case, the incident angle may be reduced as the process proceeds to the subsequent stage by using the property that the reflectance depends on the incident angle. That is, as shown in FIG. 4, the incident angle with respect to the reflecting surface 3 on the outgoing light side is reduced toward the subsequent stage according to a constant rule of θ1> θ2> θ3. P0, 2,..., P0, n-1, P0, n can be made constant. Incidentally, when the incident angle is reduced as the stage proceeds in this way, in the structure in which the distance l between the reflecting surfaces 3 and 4 is constant as shown in FIG. 1, the waveguide length difference between the reflecting surfaces becomes correspondingly shorter. This is inconvenient when it is desired to make the phase difference of each output light constant. Therefore, in FIG. 4, in order to make the phase difference in the waveguide between the reflecting surfaces 3 and 4 constant, that is, to make the waveguide length difference constant, the interval between the reflecting surfaces is set to 11 <12 <13. <Wavelength selective filter element gradually increased to 1nChildShow. As a specific numerical example, if the difference in θ at each reflection point is about 0.5 °, the waveguide length difference between the reflection surfaces is about 3 μm.
[0028]
Although FIG. 4 shows a structure in which the spacing between the reflecting surfaces is gradually changed, the same effect can be achieved even in a structure in which the spacing between the reflecting surfaces 3 and 4 is continuously increased as shown in FIG.
[0029]
  (Third Embodiment) FIG. 6 shows a third embodiment using a structure in which the reflectance can be increased and the control can be precisely performed with a relatively small incident angle from the array waveguide to the output waveguide. Wavelength selective filter element according to embodimentOf childIt is a top view. FIG. 7 is a perspective view of one portion of the reflecting portion.
[0030]
  As shown in FIG. 6, according to the third embodiment of the present invention.Wavelength selective filter elementThe first waveguide row 8 is configured so that light propagates between the two reflecting surfaces 4 and 16 by multiple reflection, and the second waveguide row coupled to the ends of the reflecting surfaces 4 and 16 ( Output waveguide line) 91, 92,..., 9 (n-1), 9n. The zigzag-shaped first waveguide row 8 is a multiple reflection array waveguide composed of an InGaAsP waveguide having a width of about 2 μm, and its input end is connected to the input waveguide 5. The first waveguide row (multiple reflection array waveguide) 8 is arranged in the array waveguide region 2. Both sides of the arrayed waveguide region 2 are InGaAsP or InP outer cladding regions (or air) 6 and 7.
[0031]
As shown in FIG. 7, in the third embodiment of the present invention, a small width is dug down to a substrate of, for example, about 1 μm or less coupled with evanescent light between the arrayed waveguide region 2 and the output waveguide 91. The groove 17 or the groove 17 from which the first waveguide layer 11 is removed partway is formed. By adjusting the width and depth of the groove 17, the reflectance at the reflecting surface 16 can be precisely controlled. For example, when the film thickness of the first waveguide 11 is 0.5 μm, the groove 17 is formed by etching to a depth of about 0.3 μm or more and a width of about 0.5 μm or less. The incident light is basically totally reflected, but a part of the light is coupled to the output waveguide 91 as evanescent light. The degree of coupling can be adjusted by adjusting the width and depth of the groove 17 and filling the groove 17 with a silicon-based or organic-based dielectric medium, so that the desired reflectance can be set with high accuracy. The dimensions such as the waveguide thickness and width and the manufacturing method are the same as those in the first embodiment of the present invention.
[0032]
  (Fourth Embodiment) Precise control of the transmission efficiency from the array waveguide to each output waveguide can also be achieved by using a coupling waveguide. FIG. 8 shows a wavelength selective filter element using an arrayed waveguide according to a fourth embodiment of the present invention using a parallel coupled waveguide as a coupling method.Of childThe structure is shown. A ridge structure is shown as a waveguide structure.
[0033]
  As shown in FIG. 8, according to the third embodiment of the present invention.Wavelength selective filter element,..., 17n are configured to propagate in multiple reflections between the two reflecting surfaces 15; 171,..., 17n, and each reflecting surface 15; ..., 17n are coupled to the waveguide 8 between the second waveguide rows (output waveguide rows) 191,. The zigzag-shaped first waveguide row 8 is a ridge type multiple reflection array waveguide having a width of about 2 μm. This ridge structure is configured on the basis of a multilayer structure in which an InGaAsP first waveguide layer 11 having a thickness of 0.5 μm and an InP cladding layer 14 having a thickness of 1.0 μm are sequentially stacked on an InP substrate 10. This multilayer structure is formed into a ridge having a zigzag top surface pattern as shown in FIG. One reflecting surface 15 in the structure shown in FIG. 8 is an interface between the ridge waveguide 8 and air as shown in the first embodiment, but the other reflecting surface is an etching mirror surface 171,. ..., 17n is adopted.
[0034]
As described above, the structure of the reflective array waveguide according to the fourth embodiment of the present invention is almost the same as the structure shown in the first embodiment, but the fourth embodiment of the present invention. This embodiment is different in that coupled waveguides 191,..., 19n coupled to the array waveguide 8 are used as output waveguides 191,. The desired output light P from the output waveguides 191,._{0, 1}, ..., P_{0, n}The adjustment for transmitting the intensity is performed by adjusting the coupling efficiency of the coupling portion in each array waveguide 8, that is, the coupling portion length l._{c, n}Alternatively, it can be easily controlled with high accuracy by changing the distance d between the waveguides for each waveguide. At the same time, unlike the above-described embodiment, it is not necessary to control the end face reflectance in order to obtain output light with a predetermined intensity, so that the end face reflectance of the reflective array waveguide can be made total reflection. In addition, since the incident angle on the reflecting surface is simply set to be equal to or greater than the total reflection angle, the manufacturing conditions are greatly eased. In FIG. 8, one of the cleavage reflection surfaces 15 is used as the total reflection surface, and the other is an etching mirror surface 171,..., 17n in which a part of the semiconductor is dug into a groove shape. The groove for forming the etching mirror surface may be formed so that the waveguide layer 11 is in contact with air with a width of about 10 to 20 μm by wet or dry etching so that total reflection is obtained on the etching mirror surface. In the fourth embodiment of the present invention, the parallel coupled waveguide type is shown as the coupled waveguide. However, the coupled waveguide can be realized not only by the parallel coupled waveguide but also by the laminated coupled waveguide. A similar function can be achieved if a structure such as a mold that provides coupling between waveguides is obtained.
[0035]
  (Fifth Embodiment) FIG. 9 relates to a fifth embodiment of the present invention.Wavelength selective filter elementFIG. According to the fifth embodiment of the present inventionWavelength selective filter elementAs shown in FIG. 9, the light is configured to propagate by multiple reflection between two reflecting surfaces 4; 171, 172, 173, ..., 17 (n-1), 17n. The first waveguide row 8 and the second waveguide rows 191, 192,..., 19 (n−1), 19 n coupled to the waveguide row 8 between the reflecting surfaces, , 19 (n-1), 19n coupled to a waveguide (output-side star coupler) 202, and this multiplexer (output-side star coupler) 202. It is composed of coupled third waveguide rows 211, 212,..., 21 (n−1), 21n. Further, according to the fifth embodiment of the present invention.Wavelength selective filter element, A mechanism (phase adjuster) 19 for controlling the phase of light propagating through each of the waveguides 191, 192,..., 19 (n−1), 19n constituting the second waveguide array and the amplitude. Has a mechanism (amplitude adjuster) 18 for controlling.
[0036]
  According to the fifth embodiment of the present inventionWavelength selective filter elementThe operating principle is as follows.Wavelength selective filter elementIn this case, it is necessary to enter a desired amount of incident light into each waveguide for phase adjustment. First, incident light Pi, which is wavelength-multiplexed signal light, is output from each of the output waveguides 191 from the reflective array waveguide 8 according to the present invention. , 192, 193,..., 19 (n-1), 19n are output at an appropriate intensity. In each of the output waveguides 191, 192, 193,..., 19 (n-1), 19n, the amplitude adjuster 18 changes the amplitudes to a1, a2, a3,. Are controlled to φ1, φ2, φ3,..., Φn−1, φn, and are combined by the output side star coupler 202, and the wavelengths separated in accordance with the interference are respectively output to the final output waveguides 211, 212,. , 21 (n−1), 21n. That is, according to the fifth embodiment of the present invention.Wavelength selective filter elementFunctions as a coherent transversal filter, and an arbitrary wavelength λi can be extracted from any output waveguide 211, 212,..., 21 (n−1), 21n. Here, a semiconductor optical amplifier or an electroabsorption optical modulator can be used as the amplitude adjuster 18. In addition, the phase adjuster 19 can achieve its function by utilizing a change in the refractive index of the semiconductor caused by current injection or electric field application. In FIG. 9, the angle of incidence on the reflecting surfaces 171, 172, 173,..., 17 (n−1), 17 n of the reflective array waveguide 1 according to the present invention is constant as θ, that is, the reflectivity is constant. As the number n of the waveguides 191, 192, 193,..., 19 (n-1), 19n advances, the amount of transmitted light decreases geometrically. Therefore, the length lC, n of the coupling portion between each output waveguide 191,192,193, ..., 19 (n-1), 19n and the array waveguide (first waveguide line) 8 is adjusted, If constant, the transmittance (amplification factor) of the amplitude adjuster 18 is set in consideration of this. The length of both the amplitude adjuster 18 and the phase adjuster 19 may be about several hundred μm, and a desired effect can be obtained with a current injection amount of several tens of mA.
[0037]
  FIG. 10 relates to a modification of the fifth embodiment of the present invention.Wavelength selective filter elementFIG. According to a modification of the fifth embodiment of the present inventionWavelength selective filter elementAs shown in FIG. 10, the first waveguide row 8 configured to propagate light by multiple reflection between the two reflecting surfaces 3 and 4, and each reflection of the first waveguide row 8. Second waveguide rows 91, 92, 93,..., 9 (n-1), 9n coupled to the end 3, and second waveguide rows 91, 92, 93,. , 9 (n−1), 9n, a multiplexer (output-side star coupler) 202, and a third waveguide row 211, 212,... Coupled to the multiplexer (output-side star coupler). .., 21 (n-1), 21n. Furthermore, the optical transversal filter according to the modification of the fifth embodiment of the present invention has a mechanism (phase adjuster) for controlling the phase of light propagating through each waveguide constituting the first waveguide array 8. 19 and a mechanism (amplitude adjuster) 18 for controlling the amplitude.
[0038]
Even if the amplitude adjuster 18 and the phase adjuster 19 are arranged in the reflection type array waveguide 8 as shown in FIG. 10, the same function as in FIG. 9 can be achieved. In this case, since the amplitude and phase adjustment conditions in the previous stage also affect the subsequent stage, it is necessary to set the parameters of the adjusters 18 and 19 in consideration of that amount.
[0039]
  (Sixth Embodiment) FIG. 11 is a plan view of an optical integrated circuit according to a sixth embodiment of the present invention. The optical integrated circuit according to the sixth embodiment of the present invention includes the first waveguide line 8 described in the first embodiment on the same substrate (semiconductor chip) 600 as shown in FIG. didWavelength selective filter elementAnd light emitting elements 301, 302,..., 30 (n−1), 30n coupled to the input waveguide 411 connected to the input end of the first waveguide row 8;Wavelength selective filter element, 9 (n-1), 9n coupled to the output side of 9n, light receiving elements 501, 502, 503,... ., 50 (n-1), 50n. here,Wavelength selective filter elementIs a first waveguide array 8 configured to propagate by multiple reflection between the two reflecting surfaces 3 and 4 and a second waveguide array (output) coupled to the ends of the reflecting surfaces 3 and 4. (Waveguide array) 91, 92, 93,..., 9 (n-1), 9n. The zigzag-shaped first waveguide row 8 may be formed of, for example, an InGaAsP waveguide having a width of about 2 μm. The light emitting elements 301, 302,..., 30 (n-1), 30n may be composed of, for example, an InGaAsP / InP laser diode. Whether the light receiving elements 501, 502, 503,..., 50 (n-1), 50n have the same forbidden bandwidth as the light emitting elements 301, 302,..., 30 (n-1), 30n. High-efficiency photodetection can be achieved by using an InGaAsP / InP photodiode having a similar structure smaller than that. A multiplexing circuit 401 is arranged between the light emitting elements 301, 302,..., 30 (n-1), 30n and the input waveguide 411, and the light emitting elements 301, 302,. Input light having different wavelengths from 30 (n-1) and 30n is guided to the multiplexing circuit 401 via the waveguides 311, 312, ..., 31 (n-1) and 31n. Waved.
[0040]
The wavelength multiplexed optical signal from the multiplexing circuit 401 gives multiple optical path length differences to the optical signal output from each reflective surface by obliquely performing multiple reflections between the two reflective surfaces 3 and 4. Then, it becomes array output light whose phase difference is controlled, and is guided to the light receiving elements 501, 502, 503, ..., 50 (n-1), 50n. By using multiple reflections in this way, the longitudinal direction basically corresponds to the dimension in the order of the waveguide width order multiplied by the number of waveguides, and the lateral direction corresponds to the phase difference required for device characteristics. Since the length of the waveguide is sufficient, an extremely compact array waveguide is realized. As a result, an extremely compact optical integrated circuit can be realized.
[0041]
The multiplexing circuit 401 illustrated in FIG. 11 may not only function as a simple multiplexer, but may be a higher-performance multiplexing circuit that can perform an optical logic operation. Furthermore, the multiplexing circuit 401 shown in FIG. 11 may be a multiplexing circuit having an optical amplification function. Further, another optical circuit element or an optical functional element may be inserted between the multiplexing circuit 401 and the input end of the first waveguide line 8. Similarly, the second waveguide rows 91, 92, 93, ..., 9 (n-1), 9n and the light receiving elements 501, 502, 503, ..., 50 (n-1). , 50n, other optical circuit elements or optical functional elements may be inserted.
[0042]
FIG. 12 is a plan view of an optical integrated circuit according to a modification of the sixth embodiment of the present invention. An optical integrated circuit according to a modification of the sixth embodiment of the present invention includes an optical circuit element including a first waveguide line 8 on the same substrate (semiconductor chip) 600 as shown in FIG. Light emitting elements 301, 302,..., 30 (n-1), 30n coupled to the input waveguide 411 connected to the input end of the first waveguide array 8, and the first waveguide array , 9 (n−1), 9n, and second waveguide lines 91, 92, 93,. .., 9 (n−1), 9n coupled to the multiplexer (output-side star coupler) 202, and third waveguide arrays 211, 212 coupled to the multiplexer (output-side star coupler). , 213,..., 21 (n−1), 21n and the third waveguide row 211, 212, 213,. 1), the light receiving elements 501, 502, and 503 coupled to the output side of the 21n, ·····, 50 (n-1), is composed of a 50n. The zigzag-shaped first waveguide row 8 may be formed of, for example, an InGaAsP waveguide having a width of about 2 μm. Furthermore, the optical integrated circuit according to the modification of the sixth embodiment of the present invention has a mechanism (phase adjuster) 19 for controlling the phase of light propagating through each waveguide constituting the first waveguide row 8. And a mechanism (amplitude adjuster) 18 for controlling the amplitude. The light emitting elements 301, 302,..., 30 (n-1), 30n may be composed of, for example, an InGaAsP / InP laser diode. In addition, the light receiving elements 501, 502, 503,..., 50 (n-1), 50n also have forbidden bandwidths as the light emitting elements 301, 302, ..., 30 (n-1), 30n. High-efficiency photodetection can be achieved by using InGaAsP / InP photodiodes of the same structure that are the same or smaller. A multiplexing circuit 401 is arranged between the light emitting elements 301, 302,..., 30 (n-1), 30n and the input waveguide 411, and the light emitting elements 301, 302,. Input light having different wavelengths from 30 (n-1) and 30n is guided to the multiplexing circuit 401 via the waveguides 311, 312, ..., 31 (n-1) and 31n. Waved.
[0043]
The wavelength multiplexed optical signal from the multiplexing circuit 401 gives multiple optical path length differences to the optical signal output from each reflective surface by obliquely performing multiple reflections between the two reflective surfaces 3 and 4. Then, it becomes array output light whose phase difference is controlled, and is guided to the light receiving elements 501, 502, 503, ..., 50 (n-1), 50n. Further, in the optical integrated circuit according to the modified example of the sixth embodiment of the present invention, the amplitude is a by the amplitude adjuster 18 in each waveguide constituting the first waveguide row 8.₁, A₂, A₃, ..., a_n-1, A_nFurthermore, the phase is adjusted by the phase adjuster 19 to₁, Φ₂, Φ₃, ..., φ_n-1, Φ_nAnd is multiplexed by the output side star coupler 202. The wavelengths separated according to the interference by the output side star coupler 202 are output from the final output waveguides 211, 212,..., 21 (n−1), 21n, and the light receiving elements 501, 502, 503,. ..., 50 (n-1), 50n. That is, the optical integrated circuit according to the modified example of the sixth embodiment of the present invention includes a waveguide having a function as a coherent transversal filter, and outputs an arbitrary wavelength λi to an arbitrary light receiving element 501, 502, 503. ..., 50 (n-1), 50n can be detected. In the optical integrated circuit according to the modification of the sixth embodiment of the present invention, by using multiple reflection, the longitudinal direction is basically the order of the waveguide width order multiplied by the number of waveguides. Since the dimensions and the transverse direction need only be the waveguide length corresponding to the phase difference required for device characteristics, an extremely compact optical integrated circuit can be realized.
[0044]
The multiplexing circuit 401 shown in FIG. 11 may be a multiplexing circuit that can perform an optical logic operation as well as functioning as a simple multiplexer. Further, between the multiplexing circuit 401 and the input end of the first waveguide row 8, the second waveguide rows 91, 92, 93, ..., 9 (n-1), 9n are multiplexed. Between the optical device (output side star coupler) 202 or between the multiplexer (output side star coupler) 202 and the light receiving elements 501, 502, 503,..., 50 (n-1), 50n. In addition, other optical circuit elements or optical functional elements may be inserted.
[0045]
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the first to sixth embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
[0046]
For example, in the above first to sixth embodiments, the structure using the InGaAsP semiconductor has been described.₂Various structures such as glass planar waveguides and other waveguides such as buried waveguides, coupling variable branching devices such as Mach-Zehnder interference type as amplitude adjusters, and heating type as phase adjusters can be used. Needless to say. In the first to sixth embodiments described above, the output waveguide arrays 91, 92, 93,..., 9 (n-1), 19n are arranged only on one side, but as shown in FIG. If the second output waveguide arrays 291, 292, 293,..., 29 (n−1), 29 n are arranged on the other side, two filter functions can be achieved simultaneously by one array waveguide.
[0047]
In the sixth embodiment, an optical integrated circuit monolithically integrated on a semiconductor chip is shown as an example. However, various semiconductor chips, light emitting elements, light receiving elements, and other circuit elements are mounted on an insulating substrate. Of course, the hybrid integrated circuit may be used.
[0048]
  Furthermore, although the case where both the light emitting element and the light receiving element are mounted on the substrate has been described in the sixth embodiment, either one may be omitted. That is, as described in the light emitting element and the first to fifth embodiments.Wavelength selective filter elementAnd the optical integrated circuit for transmission and the light receiving element described in the first to fifth embodiments.Wavelength selective filter elementMay be divided into an integrated optical integrated circuit for reception.
[0049]
Thus, it should be understood that the present invention includes various embodiments and the like not described herein. Therefore, the present invention is limited only by the invention-specific matters according to the description of the scope of claims reasonable from this disclosure.
[0050]
【The invention's effect】
  As described above in detail, according to the present invention, a compact array waveguide diffraction grating is used.High-performance wavelength selective filter element usingCan be realized.
[0052]
According to the present invention, a compact and highly functional optical integrated circuit can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a wavelength selective filter element using a reflective array waveguide according to a first embodiment of the present invention.Of childIt is a top view.
FIG. 2 is a wavelength selective filter element shown in FIG.Of childIt is a bird's-eye view which shows the structure of a reflective surface.
FIG. 3 shows a wavelength selective filter element using a reflective array waveguide according to a modification of the first embodiment of the present invention.Of childFIG.
FIG. 4 shows a wavelength selective filter element using a reflective array waveguide according to a second embodiment of the present invention.Of childIt is a top view.
FIG. 5 shows a wavelength selective filter element using a reflective array waveguide according to a modification of the second embodiment of the present invention.Of childIt is a top view.
FIG. 6 shows a wavelength selective filter element using a reflective array waveguide according to a third embodiment of the present invention.Of childIt is a top view.
7 is a wavelength selective filter element shown in FIG.Of childIt is a bird's-eye view which shows a part of reflective surface.
FIG. 8 shows a wavelength selective filter element using a reflective array waveguide according to a fourth embodiment of the present invention.Of childIt is a bird's-eye view.
FIG. 9 relates to a fifth embodiment of the present invention.Wavelength selective filter elementFIG.
FIG. 10 relates to a modification of the fifth embodiment of the present invention.Wavelength selective filter elementFIG.
FIG. 11 is a schematic plan view showing an optical integrated circuit according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic plan view showing an optical integrated circuit according to a modification of the sixth embodiment of the present invention.
FIG. 13 shows a wavelength selective filter element using a reflective array waveguide according to another embodiment of the present invention.Of childIt is a top view.
FIG. 14 shows a conventional wavelength selective filter element.Of childIt is a schematic diagram.

Claims

A first waveguide line configured to propagate wavelength-multiplexed light by multiple reflection between two reflecting surfaces, and the first between one end or the reflecting surfaces of the two reflecting surfaces. A second waveguide array coupled to the waveguide array, a multiplexer coupled to the second waveguide array, and a third waveguide array coupled to the multiplexer,
The first waveguide array makes the wavelength-multiplexed light incident on the second waveguide array with a phase difference associated with a waveguide length difference until coupling with each waveguide constituting the second waveguide array. Let
The multiplexer separates light of each wavelength by interference based on the phase difference of the wavelength-division multiplexed light respectively emitted from the waveguides constituting the second waveguide array, and is coupled to the third waveguide array. A wavelength selective filter element that is incident.

2. The mechanism according to claim 1, further comprising a mechanism for independently controlling a phase or amplitude of wavelength multiplexed light propagating through each of the waveguides constituting the first waveguide row or the second waveguide row. Wavelength selective filter element.

A first waveguide line configured to propagate wavelength-multiplexed light by multiple reflection between two reflecting surfaces, and the first between one end or the reflecting surfaces of the two reflecting surfaces. A first waveguide array coupled to the second waveguide array, a multiplexer coupled to the second waveguide array, and a third waveguide array coupled to the multiplexer. The waveguide array causes the wavelength-multiplexed light to enter the second waveguide array with a phase difference associated with a waveguide length difference until coupling with each waveguide constituting the second waveguide array. The wave separator separates light of each wavelength by interference based on the phase difference of the wavelength multiplexed light respectively emitted from the respective waveguides constituting the second waveguide array, and makes the light incident on the third waveguide array A wavelength selective filter element, a light emitting element coupled to an input end of the first waveguide line, and an output of the third waveguide line Optical integrated circuits, characterized in that formed at least one of the a on the same substrate of coupled light receiving element.

4. The mechanism according to claim 3, further comprising a mechanism for independently controlling a phase or amplitude of wavelength multiplexed light propagating through each of the waveguides constituting the first waveguide row or the second waveguide row. Optical integrated circuit.