JP4457296B2 - 光遅延回路、集積光素子および集積光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、この発明にかかる光遅延回路の構成を模式的に示す斜視図である。この光遅延回路1は、図示しない基板上に形成した周期的な屈折率分布構造を有するフォトニック結晶構造に、前記周期的な屈折率分布構造に対する互いに幅の異なる線状の欠陥を複数導入することによって構成される。図1の例では周期的な屈折率分布構造として、空気穴2を形成している。後述するように、この線状欠陥がレーザ光の導波路3a,3bとなる。この導波路3a,3bは、周期的な屈折率分布構造に対する欠陥によって形成されるので、この明細書中で欠陥導波路ともいう。図1では、フォトニック結晶構造の光遅延回路1に、2本の欠陥導波路3a,3bが形成されており、一方の欠陥導波路3aは、周期的な屈折率分布構造を直線状に崩したものであり、他方の欠陥導波路3bは、直線状の欠陥導波路3aと所定の光路長差となるように幅を変えて周期的な屈折率分布構造を崩すとともに、直線状の欠陥導波路3aの伸長方向にほぼ並行して配置される。これらの2本の欠陥導波路3a,3bには、外部から入力される光信号を分波するカプラ4が形成されている。なお、欠陥導波路3a,3bにおけるカプラ4間の幅を変えて並列に配置された部分が、特許請求の範囲における光遅延部に相当する。
実施の形態1の図1では、フォトニック結晶構造として2次元スラブフォトニック結晶構造を有する場合を例に挙げて説明した。上述したように、光遅延回路1は、基板上に作製されるが、薄膜のスラブ層5の面内に2次元の周期的な空気穴構造を形成した後に、その空気穴2から基板を除去するために2次元スラブフォトニック結晶構造を有する基板を溶液中に浸して、スラブ層5下部の基板を除去する処理が行われる。その結果、光遅延回路1において、基板の周縁部を除く中央付近は除去されて空洞状態となり、薄膜の周縁部のみが基板で支持された構造となっている。
上述した実施の形態1,2では、光遅延回路が2次元スラブフォトニック結晶構造、すなわちサブミクロンオーダの厚さを有する構造の場合を例に挙げて説明した。たとえば、実施の形態1では、サブミクロンオーダの厚さのスラブ層5の上下を空気層として、化合物半導体材料からなるスラブ層5と空気層との屈折率差で、スラブ層5内を導波する光の閉じ込めを行なっていた。しかし、スラブ層5を厚くしてスラブ層5自身で光の閉じ込めを行うようにしてもよい。
フォトニック結晶導波路部の設計として、相対的に幅の広いフォトニック結晶導波路と幅の狭いフォトニック結晶導波路の群速度差を光遅延に用いるが、上述した実施の形態では、群速度の速い(基準となる)フォトニック結晶の欠陥導波路幅を2次元周期的空気穴構造において、単に1列の空気穴構造を取り除いた31/2・aとした。しかし、欠陥導波路幅はこの値に限られることなく、たとえば、さらにこの値を大きくして、両欠陥導波路幅を広げることも可能である。欠陥導波路幅を広げることによって、外部のファイバなどの光伝送路との接続も容易となる。
上述した実施の形態では、光遅延回路に、相対的に幅の広い欠陥導波路と幅の狭い欠陥導波路を設計して光遅延回路を実現していた。しかし、各欠陥導波路の幅を異ならせる代わりに、フォトニック結晶構造を構成する2次元の周期的空気穴構造の格子周期をわずかに異ならせることによっても、複数の欠陥導波路を伝送する光信号の群速度の間に遅延を生じさせることができる。
上述した実施の形態1〜4では、光遅延回路に、相対的に幅の広い欠陥導波路と幅の狭い欠陥導波路を設計して光遅延回路を実現していた。しかし、各欠陥導波路の幅を異ならせる代わりに、フォトニック結晶構造を構成する2次元の周期的空気穴構造の格子穴の半径をわずかに異ならせることによっても、複数の欠陥導波路を伝送する光信号の群速度の間に遅延を生じさせることができる。
上述した実施の形態1〜4では、光遅延回路に、相対的に幅の広い欠陥導波路と幅の狭い欠陥導波路を設計して光遅延回路を実現していた。しかし、各欠陥導波路の幅を異ならせる代わりに、フォトニック結晶構造を構成する化合物組成をわずかに異ならせることによっても、複数の欠陥導波路を伝送する光信号の群速度の間に遅延を生じさせることができる。
上述した実施の形態1〜4では、光遅延回路に、相対的に幅の広い欠陥導波路と幅の狭い欠陥導波路を設計して光遅延回路を実現していた。しかし、各欠陥導波路の幅を異ならせる代わりに、欠陥導波路の近傍または途中に点欠陥を挿入することによっても、複数の欠陥導波路を伝送する光信号の群速度の間に遅延を生じさせることができる。
図13は、光遅延回路の実施の形態9の構成の一例を示す斜視図である。上述した実施の形態において、2本の欠陥導波路間の距離については規定していなかったが、この実施の形態9では、欠陥導波路(幅はサブμmサイズ)への外部からの入射部(端部Aの欠陥導波路形成領域)において、2本の欠陥導波路3a,3b間の距離を近接して(距離はサブμmサイズ)並列に配置させるようにしている。このような構成によれば、外部からの1つの結合光学系を2つの欠陥導波路に一括結合させることができる。すなわち、1つの結合光学系からの光を同時に2つの欠陥導波路3a,3bに入射させることが可能となる。これにより、ファイバに比べて幅の狭い欠陥導波路への光の結合効率が、1つの欠陥導波路ごとに入射させる場合の値に比べて全体で高い値を実現することができる。
図14は、光遅延回路の実施の形態10の構成の一例を示す斜視図である。この図に示されるように、フォトニック結晶中に形成する幅の異なる線状の2本の欠陥導波路を、平行な直線状の欠陥導波路とすることを特徴とする。つまり、実施の形態1の図1では、一方の欠陥導波路の分岐部分を曲げて構成していたが、この実施の形態10ではフォトニック結晶中の欠陥導波路3a,3bは曲げ分岐せずに、平行な欠陥導波路のままとしている。このような構造では、方向性結合器の原理によって伝播長Ldに応じた光の分岐、合波、再分岐を行なうことが可能となる。つまり、2本の平行に形成された欠陥導波路3a,3bの長さを適当な値に設定することによって、2本の欠陥導波路3a,3b中を伝播する光信号の間に、所望の遅延を生じさせることができる。
上述した実施の形態では、0次モードの光を利用していた。しかし、0次モードの光だけでなく、高次(1次)モードの光を併用することで、群速度の遅い特性を利用でき、光遅延回路を構成することも可能である。
上述した実施の形態1〜11では光遅延回路の構成を説明したが、以下ではこれらの光遅延回路を用いた集積光素子の実施の形態について説明する。たとえば、実施の形態1で説明した光遅延回路1において、1つの光信号を分波して2つの欠陥導波路間で1bitの遅延を生じさせた後に干渉させるように構成し、それぞれの欠陥導波路に2連のフォトディテクタを有する光検出部を組み合わせることで、集積光素子としてのDPSK受信デバイスを構築することができる。
実施の形態12に示される集積光素子において、遅延干渉部11と、複数のフォトディテクタを有する光検出部21とを一括形成することで、集積光素子10を一体にそしてコンパクトに構築することができる。これは集積光素子10において、遅延干渉部11と光検出部21とは同じ半導体材料で構成することができるので、同一基板上に遅延干渉部11と光検出部21とを一体形成することも可能となる。たとえば、図1に示されるように2次元フォトニック結晶スラブ構造を有する遅延干渉部11も、埋め込み型またはリッジ型導波路構造を有する光検出部21もともに、基板上に下クラッド層、コア層、上クラッド層を積層してなる構造を有するので、遅延干渉部11の欠陥導波路3a,3bの延長上に光検出部21の導波路構造を形成することで、両者の導波路部分の接合を精度よく行うことができる。このとき、埋め込み型またはリッジ型導波路のもう一方の端部にフォトディテクタが形成される。
2 空気穴
3a,3b 欠陥導波路
3c 点欠陥
4a,4b 合分波部
5 コア層
6 下クラッド層
7 上クラッド層
8 スラブ層
9 基板
Claims (17)
- フォトニック結晶の周期的な屈折率分布構造に対して導入される線状の欠陥によって形成される欠陥導波路が複数並列に配置されてなる光遅延回路であって、
前記複数の欠陥導波路は、前記欠陥導波路の経路上で、他の欠陥導波路中を伝送する光と互いに干渉しない距離に配置される光遅延部と、前記他の欠陥導波路中の光と互いに干渉する距離をおいて互いに平行に配置され、いずれかの前記欠陥導波路に入力された時分割多重された光信号を多重分離し、前記欠陥導波路に入力された光信号を時分割多重する合分波部と、を有するとともに、前記フォトニック結晶の第1の端面と第2の端面との間を並列して結ぶように、前記周期的な屈折率分布構造に導入され、
前記欠陥導波路を構成する前記光遅延部の少なくとも一部の幅は、他の欠陥導波路を伝播する光とは異なる導波モードの光が伝播するように、それぞれの前記欠陥導波路で異なることを特徴とする光遅延回路。 - 前記第1または第2の端面の複数の欠陥導波路のうちいずれかの欠陥導波路に入力された時分割多重化された光信号のタイムスロットの時間幅に対応する時間だけ遅延量を異ならせるように、前記各欠陥導波路の幅が設定されていることを特徴とする請求項1に記載の光遅延回路。
- 前記フォトニック結晶は、周期的な空気穴構造が形成される薄膜スラブ構造を有し、上下両面が前記フォトニック結晶よりも屈折率の低い誘電体で挟まれることを特徴とする請求項1または2に記載の光遅延回路。
- 前記フォトニック結晶は、コア層の上下両面を前記コア層よりも屈折率の低いクラッド層で挟んだ構造を有することを特徴とする請求項1または2に記載の光遅延回路。
- 厚さ方向に垂直な方向に貫通するように周期的な空気穴構造が形成されたフォトニック結晶に対して導入される線状の欠陥によって形成される欠陥導波路が複数並列に配置されてなる光遅延回路であって、
前記複数の欠陥導波路は、前記欠陥導波路の経路上で、他の欠陥導波路中を伝送する光と互いに干渉しない距離に配置される光遅延部と、前記他の欠陥導波路中の光と互いに干渉する距離をおいて互いに平行に配置され、いずれかの前記欠陥導波路に入力された時分割多重された光信号を多重分離し、前記欠陥導波路に入力された光信号を時分割多重する合分波部と、を有するとともに、前記フォトニック結晶の第1の端面と第2の端面との間を並列して結ぶように、前記周期的な屈折率分布構造に導入され、
前記欠陥導波路の前記光遅延部の少なくとも一部の周囲の領域に形成される空気穴構造の格子周期は、他の領域に形成される空気穴構造の格子周期とは異なる格子周期であり、該格子周期は、他の欠陥導波路を伝播する光とは異なる導波モードの光が伝播するように、それぞれの前記欠陥導波路で異なることを特徴とする光遅延回路。 - 厚さ方向に垂直な方向に貫通するように周期的な空気穴構造が形成されたフォトニック結晶に対して導入される線状の欠陥によって形成される欠陥導波路が複数並列に配置されてなる光遅延回路であって、
前記複数の欠陥導波路は、前記欠陥導波路の経路上で、他の欠陥導波路中を伝送する光と互いに干渉しない距離に配置される光遅延部と、前記他の欠陥導波路中の光と互いに干渉する距離をおいて互いに平行に配置され、いずれかの前記欠陥導波路に入力された時分割多重された光信号を多重分離し、前記欠陥導波路に入力された光信号を時分割多重する合分波部と、を有するとともに、前記フォトニック結晶の第1の端面と第2の端面との間を並列して結ぶように、前記周期的な屈折率分布構造に導入され、
前記欠陥導波路の前記光遅延部の少なくとも一部の周囲の領域に形成される空気穴構造の空気穴径は、他の領域に形成される空気穴構造の空気穴径とは異なる格子周期であり、該空気穴径は、他の欠陥導波路を伝播する光とは異なる導波モードの光が伝播するように、それぞれの前記欠陥導波路で異なることを特徴とする光遅延回路。 - 前記複数の欠陥導波路は、互いに異なる屈折率を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の光遅延回路。
- 一方の欠陥導波路は、この欠陥導波路に近接して1つ以上の点欠陥を有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の光遅延回路。
- 前記フォトニック結晶は、上下両面が前記フォトニック結晶よりも屈折率の低い誘電体で挟まれることを特徴とする請求項5〜8のいずれか1つに記載の光遅延回路。
- 光遅延回路の端部に形成される前記合分波部の導波路幅は、外部の結合光学系からの光の入射効率を高めるように広げて形成されることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1つに記載の光遅延回路。
- 前記複数の欠陥導波路の合分波部は、外部の結合光学系からの光が前記複数の欠陥導波路に同時に入射するように近接して、光遅延回路の端部に配置されることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つに記載の光遅延回路。
- フォトニック結晶の周期的な屈折率分布構造に対して導入される線状の欠陥によって形成される欠陥導波路が複数並列に配置されてなる光遅延回路であって、
前記複数の欠陥導波路は、前記フォトニック結晶の第1の端面と第2の端面との間に、前記他の欠陥導波路中の光と互いに干渉する距離をおいて互いに平行に配置され、
前記欠陥導波路の幅は、他の欠陥導波路を伝播する光とは異なる導波モードの光が伝播するように、それぞれの前記欠陥導波路で異なるとともに、
前記欠陥導波路の伝播長は、前記各欠陥導波路を伝播する光を分岐または合波する長さに設定されることを特徴とする光遅延回路。 - フォトニック結晶の周期的な屈折率分布構造に対して導入される線状の欠陥によって形成される欠陥導波路が複数並列に配置されてなる光遅延回路であって、
前記複数の欠陥導波路は、前記欠陥導波路の経路上で、他の欠陥導波路中を伝送する光と互いに干渉しない距離に配置される光遅延部と、前記他の欠陥導波路中の光と互いに干渉する距離をおいて互いに平行に配置され、いずれかの前記欠陥導波路に入力された時分割多重された光信号を多重分離し、前記欠陥導波路に入力された光信号を時分割多重する合分波部と、を有するとともに、前記フォトニック結晶の第1の端面と第2の端面との間を並列して結ぶように、前記周期的な屈折率分布構造に導入され、
前記各欠陥導波路の屈折率は、それぞれ異なることを特徴とする光遅延回路。 - 2つの欠陥導波路間に1bitの遅延が生じるように前記光遅延部を形成した請求項1〜12のいずれか1つに記載の光遅延回路と、
前記光遅延回路の前記欠陥導波路と接続され、前記欠陥導波路からの光を伝播させる導波路と、該導波路を伝播してきた光を検出するフォトディテクタとを含んで構成される導波路型フォトディテクタを有する光検出部と、
を備え、
前記光遅延回路は、
前記欠陥導波路の延在方向の両側に、前記光遅延部の両側を挟むように2つの前記合分波部を有し、
一方の前記合分波部は、外部から入射した光信号を複数の光信号に分波し、
他方の前記合分波部は、前記光遅延部で遅延が生じた前記複数の光信号を合波して干渉波とすることを特徴とする集積光素子。 - 前記光遅延回路と前記光検出部は、同一基板上に一括形成されることを特徴とする請求項14に記載の集積光素子。
- 前記光検出部の導波路は、p−i−n構造を有することを特徴とする請求項14または15に記載の集積光素子。
- 前記光検出部の導波路は、上下に厚みのあるバルク構造を有することを特徴とする請求項14〜16のいずれか1つに記載の集積光素子。
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