JP4482486B2 - 半導体スターカプラ型光合流分岐回路及び半導体アレイ回折格子 - Google Patents

Description

本発明は、光集積回路に用いる半導体スターカプラ型光合流分岐回路及び半導体アレイ回折格子に関する。

光集積回路を実現するためには作製が容易で低損失な光合流分岐回路を実現する必要がある。近年、作製が容易で低損失な光合流分岐回路の構造としてスター型カプラが提案されている（特許文献１の図７、非特許文献１を参照）。

ここで、図７に、従来の光合流分岐回路、いわゆるスターカプラの構造の一例を示す。この図に示すように、光合流分岐回路７００は、１本の入力導波路７０１と、６本の出力導波路７０３ａ〜７０３ｆと、入力導波路７０１と出力導波路７０３との間に形成された２次元伝搬領域７０２とを有しており、１入力６出力の半導体光合流分岐回路である。

この光合流分岐回路７００の動作原理は、簡単に以下の通りである。入力導波路７０１から十分に幅の広い２次元伝搬領域７０２に入射した光信号は、２次元伝搬領域７０２内に拡散しながら伝搬する。このときの広がり角θは、２次元伝搬領域７０２への入射時のスポットサイズ、言い換えると、入力導波路７０１の導波モードのスポットサイズｗ₀により以下の様に表される。
θ ＝ ｔａｎ^-1（λ／ｎ／π／ｗ₀） （１）

ここで、λは入射光の真空中における波長であり、ｎは媒質の屈折率である。いま、入射光が２次元伝搬領域７０２を距離ｚだけ伝搬したとすると、そのときのビーム（入射光）の広がりは（１）式より
ｗ（ｚ） ＝ ２ｚ・ｔａｎθ ＝ ２・ｚ・λ／ｎ／π／ｗ₀ （２）
となる。

入射電界がガウス形状をしていたとすると、光信号はガウス形状を保ちつつ広がっていき、このｗ（ｚ）は距離ｚだけ伝搬したときのガウスビームのスポットサイズを示していることになる。領域７０２が２次元伝搬領域として作用するためには、入射光が２次元伝搬領域において、導波路の側壁を感じない程度に、あるいは横方向の閉じ込めを感じない程度に２次元伝搬領域の幅が広いことが必要であるため、入射端から距離ｚのときにその幅が（２）式で表されるｗ（ｚ）よりも十分に広いことが要求される。

ここで、２次元伝搬領域７０２の長さがＬであるとすると、２次元伝搬領域７０２の終端におけるビームの広がりは（２）式より２Ｌ・λ／ｎ／π／ｗ₀となる。そのため、２次元伝搬領域７０２の中心から±Ｌ・λ／ｎ／π／ｗ₀の範囲に出力導波路７０３を配置すれば、入力信号は６本の出力導波路７０３ａ〜７０３ｆに分配され、分岐回路として動作する。このように２次元伝搬領域７０２を介して１度にスター状に複数本の導波路に分岐することができることから、本構成の光合流分岐回路はスターカプラと呼ばれている。逆に、出力導波路７０３ａ〜７０３ｆの何れかから光信号が入射した場合は、前記６分岐動作の逆過程の動作となり、光線逆行の定理により入射光が入力導波路７０１に結合し、６入力１出力のカプラとして動作する。

図８に示すように、入力導波路７０１は、下部クラッドを構成するＩｎＰ基板８０１と、ＩｎＰ基板８０１の上部に形成されたＩｎＧａＡｓＰコア層８０２と、ＩｎＧａＡｓＰコア層８０２の上部に形成されたＩｎＰ上部クラッド８０３とを有する。このような構造を有する光合流分岐回路７００は、導波路の横方向の光閉じ込めは導波路のコア８０２およびクラッド８０１，８０３を構成する媒質と空気の屈折率差により行われているため、フォトマスク両側壁を導波路のコア８０２よりも深くエッチングするだけで作製することが可能で、方向性結合器のようなエッチング深さの厳密な制御が必要ないため光集積回路に最適であった。

一方、従来の４×４の半導体アレイ回折格子の一例を図１０に示す。この図に示すように、半導体アレイ回折格子１０００は、４本の入力導波路１００１ａ〜１００１ｄと、これら入力導波路１００１ａ〜１００１ｄに接続された２次元伝搬領域１００２と、２次元伝搬領域１００２に接続された７本の遅延導波路アレイ１００３と、これら遅延導波路アレイ１００３に接続された２次元伝搬領域１００４と、この２次元伝搬領域１００４に接続された４本の出力導波路１００５ａ〜１００５ｄとを有する。ここで、符号１００６および符号１００７の部分は、４入力７出力および７入力４出力のスターカプラ型光合流分岐回路となっている。

特開平０５−２４１０３３号公報（図７を参照） D.E.Leaird, A.M.Weiner, T.Saida, A.Sugita, K.Okamoto,「Temporal Response of an Excitation Engineered 1x16 Splitter」, Lasers and Electro-Optics Society, 2003.LEOS 2003.The 16th Annual Meeting of the IEEE, Volume:2, 2003

図９は、図７におけるＩＸ−ＩＸ矢視断面図である。この図では、符号９０１は下部クラッドを構成するＩｎＰ基板を示し、符号９０２はＩｎＧａＡｓＰコア層を示し、符号９０３はＩｎＰ上部クラッドを示し、符号９０４ａおよび符号９０４ｂは２次元伝搬領域の終端を示している。図７，図９に示すように、光合流分岐回路７００における２次元伝搬領域の終端部７０４は、導波路コア層９０２よりも深くエッチングされて、エッチングミラーが形成されている。半導体導波路の場合、この半導体・空気界面における反射率は約３０％であることが知られている。

前記動作原理で説明したように、光合流分岐回路７００における２次元伝搬領域の終端部７０４での光の広がりは２次元伝搬領域７０２の中心から±Ｌ・λ／π／ｗ₀の範囲に及ぶ。したがって、この範囲に存在する２次元伝搬領域の終端部７０４では出力導波路７０３ａ〜７０３ｆに結合できなかった光信号は半導体・空気界面において反射されてしまう。

また、前記動作原理で説明したように、２次元伝搬領域７０２を伝搬する光の強度分布はガウス形状となるため、中心から離れた位置に存在する出力導波路、例えば、出力導波路７０３ａや出力導波路７０３ｆに十分なパワーを結合させるためにはＬを長めにとり、光信号を十分に広げる必要が生じる。このとき、出力導波路７０３ａ，７０３ｆのさらに外側まで光信号は広がっていることになり、この部分の光信号は全て２次元伝搬領域７０２の終端部７０４に存在する半導体・空気界面９０４ａにおいて反射されてしまう。

さらに、出力導波路７０３ａ〜７０３ｆの何れかから光信号が入射した場合には、前記動作原理で説明したように入射光は、入力導波路７０１に結合するが、入力導波路７０１は一本しか存在しないため、ほとんどのパワーは半導体・空気界面９０４ｂにおいて反射されてしまう。もし、入力導波路７０１に光増幅器が接続されていたなら、この反射により発振が生じてしまい、光回路が正常に動作しなくなる可能性があった。特に、６入力１出力の合流回路として使用した際には、前述の説明のように入力パワーの大部分が半導体・空気界面９０４ｂにおいて反射されてしまうため、入出力導波路７０１，７０３に光増幅器が接続されていれば発振が生じてしまい、光回路が正常に動作しなくなる可能性がある。

ここで、導波路の作製時の寸法誤差について簡単に説明する。図７に示した光合流分岐回路７００のような導波路構造を作製する場合には、導波路のエッチングマスク作製に用いるフォトマスクあるいはレチクルの形状は、導波路領域７０１，７０２，７０３にのみメタルが形成され、前記導波路領域以外にはメタルは形成されていない。そのため、エッチングマスクを作製するために露光を行った場合、フォトレジストを透過して基板表面に到達したＵＶ光の一部は基板表面で散乱し、四方八方に放射される。この散乱光はフォトマスクのメタルによる影の部分のフォトレジストを感光させてしまうため、現像後のフォトレジストの幅はフォトマスクあるいはレチクルで規定される幅よりも狭くなってしまう。これをパターン変換誤差という。

フォトレジスト形成時にパターン変換誤差が存在すると、そのフォトレジストをマスクとして導波路をエッチングしても、できあがった導波路の幅は設計とは異なってしまう。上述したような従来の光合流分岐回路７００の構造ではメタルの形成されている幅が入出力導波路部７０１，７０３で２μｍ程度であり、２次元伝搬領域７０２で２０μｍ程度であるのに対し、メタルの形成されていない非導波路領域、あるいは導波路の間隔は数１００μｍ程度にも達する。フォトレジスト露光時に生じるパターン変換誤差は、基板表面で散乱されるＵＶ光の量により決まる。

したがって、従来の構造では遮蔽部の数１０〜１００倍以上の領域からの散乱光によりパターン変換誤差が生じることになり、大きな誤差の原因となる。これは素子の歩留まりを低下させる原因となり、また、設計とのずれによる性能劣化の原因ともなる。光集積回路では導波路が複雑に入り込むため、場所により導波路が密な領域と疎な領域が形成されてしまい、場所によりパターン密度が変化することになる。これは、場所により導波路領域と非導波路領域の面積の比が変化することを意味しており、ＵＶ散乱光の強度が場所により変化することにより、場所によりパターン変換誤差が変化することになる。その結果、場所により導波路幅が変化してしまい、設計通りの集積素子を作製することは困難となってしまう、という問題があった。

このように、従来の構造のスターカプラ型光合流分岐回路は、２次元伝搬領域の終端部で本質的に多くのパワーが反射されてしまう、という問題があった。また、このような従来の構造のスターカプラ型光合流分岐回路の作製時にパターン変換誤差が起きやすい、という欠点も有していた。

従来の半導体アレイ回折格子においても、上記従来の光合流分岐回路と同様な問題点を有していた。すなわち、２次元伝搬領域の終端部における反射が問題となっていた。特に、光増幅器等を集積した場合、半導体アレイ回折格子をキャビティに含む形での発振が生じてしまう可能性があった。さらに、半導体アレイ回折格子では、遅延導波路アレイが２次元伝搬領域近傍では密に、２次元伝搬領域から離れると疎に配置されている。そのため、パターン変換誤差の場所依存性が遅延導波路アレイにおける遅延量のばらつきにつながり、半導体アレイ回折格子の位相誤差による波長分波特性が遅延導波路アレイにおける遅延量のばらつきにつながり、半導体アレイ回折格子の位相誤差による波長分波特性が劣化してしまう、という問題があった。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、パターン変換誤差なく形成することが可能であり、かつ反射光が生じにくい半導体スターカプラ型光合流分岐回路及び半導体アレイ回折格子を提供することを目的とする。

本願において、開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下の通りである。

前述した課題を解決する第１の発明に係る半導体スターカプラ型光合流分岐回路は、
３次元導波路と、前記３次元導波路から入射した光信号が横方向の閉じ込めを感じない程度に広い幅に形成された２次元伝搬領域とを有する半導体スターカプラ型光合流分岐回路であって、
前記３次元導波路の両側にのみ光信号を閉じ込めるための溝をそれぞれ形成して、前記３次元導波路において基板面内方向および前記基板面に垂直な方向に光信号が閉じ込められるようにした
ことを特徴とする。
前記２次元伝搬領域としては、基板面に垂直な方向に光信号が閉じ込められるが、前記基板面内方向には光信号が閉じ込められていない光導波路が挙げられる。

さらに、
前記２次元伝搬領域に光信号を入力する入力導波路、および前記２次元伝搬領域を伝搬した光信号を出力する出力導波路のすべてが前記３次元導波路で構成される
ことを特徴とする。

さらに、
前記溝の溝幅が、前記２次元伝搬領域に接続される近傍を除いてほぼ一定であり、溝の深さと同等以上である
ことを特徴とする。
これにより、パターン変換誤差のない、設計どおりの反射の少ないスターカプラ型光合流分岐回路を再現性良く提供することが可能となる。

さらに、
前記溝のうち最も外側の溝のすべてが、前記２次元伝搬領域に接続する近傍において、入力導波路に逆行するような反射が生じないようにテーパ状に形成される
ことを特徴とする。
これにより、反射の少ないスターカプラ型光合流分岐回路を提供することが可能となる。

前述した課題を解決する第２の発明に係る半導体スターカプラ型光合流分岐回路は、
第１の発明に記載された半導体スターカプラ型光合流分岐回路であって、
前記２次元伝搬領域の終端部が、複数の３次元導波路に挟まれた領域において、光信号の伝搬方向に対して傾斜する
ことを特徴とする。

前述した課題を解決する第３の発明に係る半導体アレイ回折格子は、
３次元導波路と、前記３次元導波路から入射した光信号が横方向の閉じ込めを感じない程度に広い幅に形成された第１と第２の２次元伝搬領域とを有する半導体アレイ回折格子であって、
前記３次元導波路の両側にのみ光信号を閉じ込めるための溝をそれぞれ形成して、前記３次元導波路において基板面内方向および前記基板面に垂直な方向に光信号が閉じ込められるようにした
ことを特徴とする。
前記２次元伝搬領域としては、基板面に垂直な方向に光信号が閉じ込められるが、前記基板面内方向には光信号が閉じ込められていない光導波路が挙げられる。
これにより、パターン変換誤差のない、設計どおりの反射の少ない光合分波回路（アレイ回折格子）を再現性良く提供することが可能となる。

さらに、
前記第１の２次元伝搬領域に光信号を入力する入力導波路、および前記第２の２次元伝搬領域を伝搬した光信号を出力する出力導波路、ならびに前記第１と第２の２次元伝搬領域の間を接続する遅延導波路アレイのすべてが前記３次元導波路で構成される
ことを特徴とする。
これにより、反射の少ない光合分波回路（アレイ回折格子）を提供することが可能となる。

さらに、
前記溝の溝幅が、前記２次元伝搬領域に接続される近傍を除いてほぼ一定であり、溝の深さと同等以上である
ことを特徴とする。
これにより、反射の少ない光合分波回路（アレイ回折格子）を提供することが可能となる。

さらに、
前記溝のうち最も外側の溝のすべてが、前記２次元伝搬領域に接続する近傍において、入力導波路に逆行するような反射が生じないようにテーパ状に形成される
ことを特徴とする。
これにより、反射の少ない光合分波回路（アレイ回折格子）を提供することが可能となる。

前述した課題を解決する第４の発明に係る半導体アレイ回折格子は、
第３の発明に記載された半導体アレイ回折格子であって、
前記第１と第２の２次元伝搬領域の終端部が、複数の３次元導波路に挟まれた領域において、光の伝搬方向に対して傾斜する
ことを特徴とする。

前述した課題を解決する第５の発明に係る半導体アレイ回折格子は、
第１の発明または第２の発明に記載された半導体スターカプラ型光合流分岐回路と、前記半導体スターカプラ型光合流分岐回路に接続され、複数本の導波路からなる遅延導波路とを有する
ことを特徴とする。

本発明によれば、導波路幅の場所依存性を除去し、均一に光合流分岐回路をパターン変換誤差なく形成することが可能であり、設計通りの反射の少ない光導波路を提供することが可能となる。また、半導体アレイ回折格子に適用した場合、反射が抑制されるのみならず、遅延導波路アレイで生じる位相誤差を取り除くことができ、波長分散特性も向上させることができる。

以下に、本発明に係る半導体スターカプラ型光合流分岐回路及び半導体アレイ回折格子を実施するための最良の形態を実施例に基づき具体的に説明する。

以下に、本発明の第１の実施例に係る光合流分岐回路について図面を用いて、具体的に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係る光合流分岐回路の上面図であり、図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ矢印断面図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施例に係る光合流分岐回路１００は、１入力６出力の半導体スターカプラ型光合流分岐回路である。すなわち、この光合流分岐回路１００は、１本の入力導波路１０１と、６本の出力導波路１０３ａ〜１０３ｆと、入力導波路１０１から入射した光信号が横方向の閉じ込めを感じない程度に広い幅に形成された２次元伝搬領域１０２とを有する。入力導波路１０１は２次元伝搬領域１０２と接続し、２次元伝搬領域の終端部１０４は出力導波路１０３と接続する。入力導波路１０１、および出力導波路１０３ａ〜１０３ｆの両方の側壁に沿ってのみ、光信号を閉じ込めるためのほぼ一定幅の溝１０５，１０６がそれぞれ形成される。溝１０５，１０６は、２次元伝搬領域の終端部１０４の近傍における複数の出力導波路１０３に挟まれた領域において、光信号の伝搬方向に対して傾斜する形状に形成される。図１における符号１０７はスラブ領域を示しており、ここではスラブ領域１０７と２次元伝搬領域とが接続される。図１における符号１０８は入出力導波路１０１，１０３の最も外側の溝の終端部を示す。ここで、入力導波路１０１および出力導波路１０３ａ〜１０３ｆの幅は２μｍに設定し、隣接する出力導波路の中心間の間隔は３μｍに設定し、２次元伝搬領域１０２の長さ、すなわち、入力導波路１０１の端部と出力導波路１０３の端部との間隔は６０μｍに設定した。

このような構造を有する光合流分岐回路１００の動作原理は、図７に示した従来の光合流分岐回路７００と同様である。このとき、入力導波路１０１におけるスポットサイズが約０．８μｍであり、２次元伝搬領域１０２の等価屈折率が３．３であり、入射信号光波長（光信号の波長）が１．５５μｍであることを考慮すると、（２）式によるビームの広がりは±１１．２μｍとなる。これは３μｍピッチで６本の導波路に光信号を分配するのに十分な値であることが分かる。

図２に示すように、前述した光合流分岐回路１００は、下部クラッド部を構成するＩｎＰ基板２０１と、ＩｎＰ基板２０１の上部に形成されたＩｎＧａＡｓＰコア層２０２ａ〜２０２ｃと、ＩｎＧａＡｓＰコア層２０２の上部に形成されたＩｎＰ上部クラッド２０３ａ〜２０３ｃと、導波路の両側壁に沿ってＩｎＧａＡｓＰコア層２０２ａ〜２０２ｃよりも深くエッチングして形成された溝２０４ａ，２０４ｂとを有する。導波路の横方向の光閉じ込めは導波路のコア２０２およびクラッド２０１，２０３を構成する媒質と空気の屈折率差により行われる。すなわち、入出力導波路１０１，１０３では、基板面内方向および前記基板面に垂直な方向に光信号が閉じ込められており、２次元伝搬領域１０２では、基板面に垂直な方向に光信号が閉じ込められるが、前記基板面内方向には光信号が閉じ込められていない。

導波路の側壁に形成した溝１０５，１０６の幅は次のように設定した。光合流分岐回路１００は、ドライエッチングにより作製される。これは、図１に示したように、エッチング面が結晶面に対し様々な方向を向くため、面方位に依存する様なウェットエッチングを用いることができないためである。

ドライエッチングを用いる場合、エッチング部の開口率（エッチングされる部分、あるいはエッチングマスクが存在しない部分と、エッチングされない部分、あるいはエッチングマスクの存在する部分との面積の比）により、エッチング速度やエッチング形状が異なることが一般的に知られている。本実施例のように導波路のコア層２０２ｂよりも深く溝のエッチングを行うと、開口部の幅が小さい溝の幅により律速される深さ以上はエッチング時間を延長してもエッチングが進まないといった現象が生じることがある。

このような現象を防ぐため、溝の幅はエッチング深さと同等以上であることが望ましい。一般的に導波路構造として、コア層２０２ａ〜２０２ｃおよび上部クラッド層２０３ａ〜２０３ｃの厚さがそれぞれ０．３μｍ〜０．５μｍ、１．５μｍ〜２．５μｍであることを考慮すると、エッチング深さを３μｍ以上とする必要がある。したがって、溝幅も溝深さ以上の３μｍ以上が望ましい。本実施例では溝幅は深さの数倍程度になるように考慮し、Ｗ₁およびＷ₂はともに１５μｍに設定した。

本実施例で、分岐および合流動作に関しては、図７に示した従来の光合流分岐回路７００と同様であるが、従来例で生じる反射を次のように抑制する。すなわち、本実施例では、図１に示したように、２次元伝搬領域の終端部１０４において、入出力導波路の最も外側の溝の終端部１０８の形状をテーパ状とし、２次元伝搬領域１０２の横方向および入出力導波路の外側を、横方向の閉じ込めが実質上存在しない、もしくは十分に横幅の広いスラブ領域１０７に接続する構成としているため、従来例において２次元伝搬領域の終端部で反射されていた光信号がスラブ領域に導かれて伝搬することが可能となり、入力導波路に逆行するような反射が発生しない。

このことは、入力導波路１０１から光信号が入射し、１入力６出力の光分岐回路として使用した場合でも、出力導波路１０３ａ〜１０３ｆの何れかから光信号が入射し、６入力１出力の光分流回路として使用した場合でも同様に成り立つ。さらに、図１に示したように、入力導波路１０１から光信号が入射し、１入力６出力の光分岐回路として使用した場合は、前記２次元伝搬領域の終端部１０４が、複数の出力導波路に挟まれた領域において、光信号の伝搬方向に対して垂直でない形状を有しており、ここで光信号の反射が生じたとしても反射光はスラブ領域１０７に導かれ、入力導波路１０１を逆行することがなくなり、実質上反射が抑制されたのと同等になる。

さらに、本実施例では、前記反射防止のためのパターン形状をパターン変換誤差なく作製するために、次のような工夫を施している。本実施例の導波路パターンを作製する際に用いるフォトマスク、あるいはレチクルは、図２に示す溝２０４ａ，２０４ｂの領域以外の部分にメタルが形成される形状となっている。メタルの形成されている導波路幅Ｗ₀が２μｍと設定したのに対し、メタルの形成されていない透明領域の幅Ｗ₁およびＷ₂は１５μｍと設定したので、導波路領域の幅Ｗ₀と溝幅Ｗ₁およびＷ₂との比は高々１５倍程度である。

したがって、基板表面に到達するＵＶ光の量も図７に示す従来例の光合流分岐回路７００と比較して大幅に減少し、基板表面に散乱されるＵＶ光の量も、従来の構造と比較すると１／１０程度以下となるため、散乱光により生じるパターン変換誤差を大幅に抑圧することが可能となる。これにより、設計とのずれにより生じる特性の劣化を最小限に抑えることができる。

本実施例の場合はメタルの形成されていない透明領域の幅がほぼ一定に保たれるため、光集積回路のように導波路が複雑に入り込んだ場合でも、メタルの形成されている導波路部とメタルの形成されていない透明領域の面積の比が大きく変化することはない。したがって、場所によりパターン変換誤差が変化することもない。その結果、場所により導波路幅が変化してしまうといった従来例の問題点が解決され、設計通りのレジストマスクを形成することが可能となる。よって、前記レジストマスクを用いてエッチングした導波路幅も設計通りに作製することができ、反射の少ない高性能な集積素子を作製することが可能となった。

以上説明してきたように、入力導波路１０１、または出力導波路１０３である３次元導波路と、前記３次元導波路から入射した光信号が横方向の閉じ込めを感じない程度に広い幅に形成された２次元伝搬領域１０２とを有する光合流分岐回路１００を、前記３次元導波路の両側にのみ、光信号を閉じ込めるためのほぼ一定幅の溝１０５，１０６をそれぞれ形成し、２次元伝搬領域１０２に接続される近傍において溝１０５，１０６をテーパ状とし、さらに、２次元伝搬領域の終端部１０４の近傍における複数の出力導波路１０３に挟まれた領域において、光信号の伝搬方向に対して傾斜する形状としたことにより、反射の少ない光合流分岐回路を再現性良く提供することが可能となった。

なお、本実施例では、１入力６出力の光合流分岐回路１００について説明したが、このような構造の光合流分岐回路に限定されるものではなく、１入力Ｎ出力（Ｎは整数）についても、１入力６出力の光合流分岐回路１００と同様な作用効果を奏する。

以下に、本発明の第２の実施例に係る光合流分岐回路について図面を用いて、具体的に説明する。

図３は、本発明の第２の実施例に係る光合流分岐回路の上面図である。

図３に示すように、本発明の第２の実施例に係る光合流分岐回路３００は、６入力６出力の半導体スターカプラ型光合流分岐回路である。すなわち、この光合流分岐回路３００は、６本の入力導波路３０１ａ〜３０１ｆと、６本の出力導波路３０３ａ〜３０３ｆと、入力導波路３０１から入射した光信号が横方向の閉じ込めを感じない程度に広い幅に形成された２次元伝搬領域３０２とを有する。入力導波路３０１は２次元伝搬領域３０２と接続し、２次元伝搬領域の終端部３０４は出力導波路３０３と接続する。入力導波路３０１ａ〜３０１ｆ、および出力導波路３０３ａ〜３０３ｆの両方の側壁に沿ってのみ、光信号を閉じ込めるためのほぼ一定幅の溝３０５ａ〜３０５ｆ，３０６ａ〜３０６ｆがそれぞれ形成される。溝３０５ａ〜３０５ｆ，３０６ａ〜３０６ｆは、２次元伝搬領域の終端部３０４の近傍における複数の出力導波路３０３に挟まれた領域において、光信号の伝搬方向に対して傾斜する形状に形成される。図３における符号３０７はスラブ領域を示しており、ここではスラブ領域３０７と２次元伝搬領域３０２とが接続される。図３における符号３０８は入出力導波路３０１，３０３の最も外側の溝の終端部を示す。ここで、入力導波路３０１ａ〜３０１ｆおよび出力導波路３０３ａ〜３０３ｆの幅は２μｍに設定し、隣接する出力導波路の中心間の間隔は３μｍに設定し、２次元伝搬領域３０２の長さは１００μｍに設定した。

このような構造を有する光合流分岐回路３００の動作原理は、入力導波路が６本あり、入力導波路３０１ａ〜３０１ｆの何れかから光信号が入力することを除けば、図７に示した従来の光合流分岐回路７００と同様である。入出力導波路の配置も、３０１ａ〜３０１ｆのどこから入射した場合でも（２）式で与えられる、２次元伝搬領域でのビームの広がりの範囲内に入るように出力導波路３０３が配置されていれば良い。本実施例では、入力導波路３０１におけるスポットサイズが約０．８μｍであり、２次元伝搬領域３０２の等価屈折率が３．３であり、入射信号光波長（光信号の波長）が１．５５μｍであることを考慮すると、（２）式によるビームの広がりは±１８．７μｍとなる。これは３μｍピッチで６本の導波路に光信号を分配するのに十分な値であることが分かる。

図３に示した光合流分岐回路３００の導波路のＡ−Ａ’断面での断面構造は、導波路が６本であることを除けば、図２に示したものと同様である。本実施例の場合も、第１の実施例に係る光合流分岐回路１００と同様な理由により、溝幅は１５μｍに設定した。

本実施例において、光信号の反射を抑圧する反射抑圧法は、第１の実施例に記載の光合流分岐回路１００と同様である。すなわち、本実施例では、図３に示したように、２次元伝搬領域の終端部３０４において、入出力導波路の最も外側の溝の終端部３０８の形状をテーパ状とし、２次元伝搬領域３０２の横方向および入出力導波路の外側を、横方向の閉じ込めが実質上存在しない、もしくは十分に横幅の広い、スラブ領域３０７に接続する構成としているため、従来例において２次元伝搬領域の終端部で反射されていた光信号がスラブ領域に導かれて伝搬することが可能となり、入力導波路に逆行するような反射が発生しない。さらに、図３に示したように、２次元伝搬領域の終端部３０４は、複数の入力導波路３０１に挟まれた領域、及び複数の出力導波路３０３に挟まれた領域において、光信号の伝搬方向に対して傾斜する（垂直でない）形状を有するため、ここで光信号の反射が生じたとしても反射光はスラブ領域３０７に導かれ、入力導波路３０１を逆行することがなくなり、実質上反射が抑制されたのと同等になる。

さらに、本実施例においても、第１の実施例に係る光合流分岐回路１００と同様な理由により、パターン変換誤差が抑えられるので、導波路を設計通りに作製することができ、反射の少ない高性能な集積素子を作製することが可能となった。

以上説明してきたように、入力導波路３０１、および出力導波路３０３である３次元導波路と、前記３次元導波路から入射した光信号が横方向の閉じ込めを感じない程度に広い幅に形成された２次元伝搬領域３０２とを有する光合流分岐回路３００を、前記３次元導波路の両側にのみ、光信号を閉じ込めるためのほぼ一定幅の溝３０５，３０６をそれぞれ形成し、２次元伝搬領域３０２に接続される近傍において溝３０５，３０６をテーパ状とし、さらに、２次元伝搬領域の終端部３０４の近傍における複数の入力導波路３０１、または複数の出力導波路３０２に挟まれた領域において、光信号の伝搬方向に対して傾斜する形状としたことにより、反射の少ない光合流分岐回路３００を再現性良く提供することが可能となった。

なお、本実施例では、６入力６出力の光合流分岐回路３００について説明したが、このような構造の光合流分岐回路に限定されるものではなく、Ｍ入力Ｎ出力（Ｍ、Ｎは整数）についても、６入力６出力の光合流分岐回路３００と同様な作用効果を奏する。

以上、実施例１，２に係る光合流分岐回路１００，３００の説明に関し、導波路構造としては、図４（ａ）に示したような、光導波領域の両側の側壁をコア層４０２ａよりも深くエッチングしたようないわゆるハイメサ構造の導波路を用いた場合について説明してきたが、光導波領域の両側のクラッド厚が光導波領域のクラッド厚よりも薄いような導波構造であれば同様な作用効果を奏する。すなわち、光合流分岐回路における光導波領域の他の例を図４（ｂ），図４（ｃ），図４（ｄ）に示す。図４において、符号４０１ａ〜４０１ｄは下部クラッド部であるＩｎＰ基板を示し、符号４０２ａ〜４０２ｄはＩｎＧａＡｓＰコア層を示し、符号４０３ａ〜４０３ｄは上部ＩｎＰクラッドを示し、符号４０４ａ〜４０４ｄは光の電界を示す。図４（ｂ）に示した構造は、光導波領域の両側のクラッドを薄くした、いわゆるリッジ型導波路であり、図４（ｃ）に示した構造は、光導波領域の両側のクラッドをゼロにした、リッジ型導波路を変形したものであり、図４（ｄ）に示した構造は、光導波領域の両側をコア層まで削り込んだ、リッジ型導波路の変形したものである。

これらの全ての構造において、図中に一点鎖線で示したように、光の電界４０４ａ〜４０４ｄの一部が、光導波領域の両側の導波路を構成する媒質と空気の界面の位置よりも上方に存在するため、空気の影響を感じることになる。本発明は、２次元伝搬領域の終端部における導波路を構成する媒質・空気界面の反射を抑制するための構造であるため、このような、光の電界が空気の屈折率を感じるような全ての構造において、同様な作用効果を奏する。

なお、上記実施例では、２次元伝搬領域の終端部１０４，３０４が、複数の入力導波路に挟まれた領域、または複数の出力導波路に挟まれた領域において、光信号の伝搬方向に対して傾斜した（垂直でない）形状である。すなわち、この光信号の進行方向に対して傾斜した形状とは、図５（ａ）に示したような、光信号の伝搬方向λ_aに対して垂直な平面以外であれば、様々な形状を用いることが可能である。例えば、図５（ｂ）に示すように、光信号の伝搬方向λ_bに対して斜めの平面を有する形状や、図５（ｃ）に示すように、２つの平面が交わってなるＶ字型の形状や、あるいは多角形の形状や、図５（ｄ）に示すように、曲面を有する形状であっても良い。図５において、符号５０１ａ〜５０１ｄは入出力導波路を示し、符号５０２ａ〜５０２ｄは２次元伝搬領域を示し、符号５０３ａ〜５０３ｄは２次元伝搬領域の終端部を示す。

上記の全ての実施例に関し、本構成で用いるコア層、上下クラッド層の組成に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられる全ての構造の導波路のコア層、クラッド層については本構成をとることにより、上述したような作用効果を奏する。すなわち、半導体ではＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、Ｓｉ、任意の材質について適用が可能であり、半導体以外でも、石英ガラス等のアモルファス材料、有機材料等に適用可能である。また、コア層、クラッド層の構造に関しても、バルク、量子井戸構造（ＭＱＷ）、量子細線、量子ドットを問わず、同様な作用効果を奏する。コア層、クラッド層の間に、例えば、通常のレーザで用いられているような分離閉じ込め構造（ＳＣＨ構造）が形成されていても全く同様な作用効果を奏する。

以下に、本発明の第３の実施例に係る光合分波回路について図面を用いて、具体的に説明する。

図６は、本発明の第３の実施例に係る光合分波回路の上面図である。

図６に示すように、本発明の第３の実施例に係る光合分波回路（半導体アレイ回折格子）６００は、４入力４出力の半導体アレイ回折格子である。すなわち、この光合分波回路６００は、４本の入力導波路６０１ａ〜６０１ｄと、７本の遅延導波路アレイ６０３と、４本の出力導波路６０５ａ〜６０５ｄと、入力導波路６０１から入射した光信号が横方向の閉じ込めを感じない程度に広い幅に形成された２次元伝搬領域６０２と、遅延導波路アレイ６０３から入射した光信号が横方向の閉じ込めを感じない程度に広い幅に形成された２次元伝搬領域６０４とを有する。入力導波路６０１は、２次元伝搬領域６０２と接続し、２次元伝搬領域６０２の終端部は遅延導波路アレイ６０３と接続する。遅延導波路アレイ６０３は、２次元伝搬領域６０４に接続し、２次元伝搬領域６０４の終端部が出力導波路６０５と接続する。入力導波路６０１ａ〜６０１ｄ、遅延導波路アレイ６０３、出力導波路６０５ａ〜６０５ｄの両方の側壁に沿ってのみ、光信号を閉じ込めるための溝６０９，６１０，６１１がそれぞれ形成される。ここで、図６において、符号６０６および符号６０７の部分は、４入力７出力および７入力４出力のスターカプラ型光合流分岐回路となる。図６における符号６０８はスラブ領域を示しており、ここではスラブ領域６０８と２次元伝搬領域６０２，６０４とが接続される。

スターカプラ型光合流分岐回路６０６および６０７に図１，図３に示した第１または第２の実施例の光合流分岐回路１００，３００を用いた。すなわち、入力導波路６０１、出力導波路６０５、または遅延導波路アレイ６０３である３次元導波路と、前記３次元導波路から入射した光信号が横方向の閉じ込めを感じない程度に広い幅に形成された２次元伝搬領域６０２，６０４とを有する光合分波回路（半導体アレイ回折格子）６００を、前記３次元導波路のみの両側に、光信号を閉じ込めるためのほぼ一定幅の溝６０９，６１０，６１１をそれぞれ形成し、２次元伝搬領域６０２，６０４に接続される近傍において溝６０９，６１０，６１１のうち最も外側の溝をテーパ状とし、さらに、２次元伝搬領域６０２，６０４の終端部の近傍における複数の入力導波路６０１ａ〜６０１ｄ、複数の出力導波路６０５ａ〜６０５ｄ、および遅延導波路アレイ６０３に挟まれた領域において、光信号の伝搬方向に対して傾斜する形状とした。また、溝６０９，６１０，６１１の幅を、この溝の深さと同等以上に形成した。

これにより、図１，図３に示した第１または第２の実施例において説明したものと同様な理由により、パターン変換誤差の少ない、設計通りの反射の抑圧された光合分波回路６００、いわゆる半導体アレイ回折格子を提供することが可能になった。

反射が抑圧された以外にも、本実施例の効果としては、入力導波路６０１、出力導波路６０５、もしくは遅延導波路アレイ６０３の両側にほぼ一定の幅の溝６０９，６１１，６１０を形成した構成としたことにより、上記説明の通り作製時のパターン変換誤差が減り、また場所によるパターン変換誤差のばらつきも抑圧された。その結果、遅延導波路アレイ６０３の遅延量が設計通りに規定され、位相誤差が大幅に抑圧された。これにより、光合分波回路６００（半導体アレイ回折格子）の位相誤差に基づく透過特性、言い換えると波長分散特性が大幅に改善された。

本実施例においても、第１および第２の実施例で説明したことは全て同等に成り立つ。すなわち、導波路構造としては、図４（ａ）に示したような、光導波領域の両側の側壁をコア層４０２ａよりも深くエッチングしたようないわゆるハイメサ構造の導波路を用いた場合について説明してきたが、光導波領域の両側のクラッド厚が光導波領域のクラッド厚よりも薄いような導波構造であれば同様な作用効果を奏する。

すなわち、図４（ｂ）に示すように、光導波領域の両側のクラッドを薄くした、いわゆるリッジ型導波路の構造、図４（ｃ）に示すように、光導波領域の両側のクラッドをゼロにした、リッジ型導波路を変形した構造、図４（ｄ）に示すように、光導波領域の両側のコア層まで削り込んだ、リッジ型導波路を変形した構造など、光の電界４０４ａ〜４０４ｄの一部が、光導波領域の両側の導波路を構成する媒質と空気の界面の位置よりも上方に存在するため、空気の影響を感じることになる。本発明は、２次元伝搬領域の終端部における導波路を構成する媒質・空気界面の反射を抑制しており、このように光の電界が空気の屈折率を感じるような全ての構造において、本実施例と同様な作用効果を奏する。

なお、上記実施例では、２次元伝搬領域６０２，６０４の終端部が、複数の入力導波路６０１に挟まれた領域、複数の出力導波路６０５に挟まれた領域、及び複数の遅延導波路アレイ６０３に囲まれた領域において、光信号の伝搬方向に対して傾斜する形状である。すなわち、図５（ａ）に示したような、光信号の伝搬方向λａに対して垂直な平面以外の形状であれば良く、例えば、図５（ｂ）に示すように、光信号の伝搬方向λ_bに対して斜めの平面を有する形状や、図５（ｃ）に示すように、２つの平面が交わってなるＶ字型の形状や、あるいは多角形の形状や、図５（ｄ）に示すように、曲面を有する形状であっても良い。

さらに、上記の全ての実施例に関し、本構成で用いるコア層、上下クラッド層の組成に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられる全ての構造の導波路のコア層、クラッド層については本構成をとることにより、上述したような作用効果を奏する。すなわち、半導体ではＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、Ｓｉ、任意の材質について適用が可能であり、半導体以外でも、石英ガラス等のアモルファス材料、有機材料等に適用可能である。また、コア層、クラッド層の構造に関しても、バルク、量子井戸構造（ＭＱＷ）、量子細線、量子ドットを問わず、同様な作用効果を奏する。コア層、クラッド層の間に、例えば、通常のレーザで用いられているような分離閉じ込め構造（ＳＣＨ構造）が形成されていても全く同様な作用効果を奏する。

上記では、光合流分岐回路６０２，６０４と遅延導波路アレイ６０３とを有する光合分波回路６００を用いて説明したが、遅延導波路アレイ６０３の代わりに、光合流分岐回路６０２，６０４に接続され、複数本の導波路からなる遅延導波路とを有する光合分波回路としても良く、上記光合分波回路６００と同様な作用効果を奏する。

本発明は、光集積回路に用いる光合流分岐回路及び光合分波回路に利用することが可能である。

本発明の第１の実施例に係る光合流分岐回路の上面図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。 本発明の第２の実施例に係る光合流分岐回路の上面図である。 本発明の第１および第２の実施例に係る光合流分岐回路における光導波路の説明図である。 本発明の第１および第２の実施例に係る光合流分岐回路が有する２次元伝搬領域の終端部近傍の説明図である。 本発明の第３の実施例に係る光合分波回路の上面図である。 従来の光合流分岐回路の上面図である。 図７におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢視断面図である。 図７におけるＩＸ−ＩＸ矢視断面図である。 従来の４×４の光合分波回路の上面図である。

符号の説明

１００ 光合流分岐回路
１０１ 入力導波路
１０２ ２次元伝搬領域
１０３ａ〜ｆ 出力導波路
１０４ ２次元伝搬領域の終端部
１０５，１０６ａ〜ｆ 溝
１０７ スラブ領域
１０８ 入出力導波路の最も外側の溝の終端部
２０１ ＩｎＰ基板
２０２ａ〜ｃ ＩｎＧａＡｓＰコア層
２０３ａ〜ｃ ＩｎＰ上部クラッド
２０４ａ，ｂ 溝
３００ 光合流分岐回路
３０１ａ〜ｆ 入力導波路
３０２ ２次元伝搬領域
３０３ａ〜ｆ 出力導波路
３０４ ２次元伝搬領域の終端部
３０５，３０６ 溝
３０７ スラブ領域
３０８ 入出力導波路の最も外側の溝の終端部
４０１ａ〜ｄ ＩｎＰ基板
４０２ａ〜ｄ ＩｎＧａＡｓＰコア層
４０３ａ〜ｄ 上部ＩｎＰクラッド
４０４ａ〜ｄ 光の電界
５０１ａ〜ｄ 入出力導波路
５０２ａ〜ｄ ２次元伝搬領域
５０３ａ〜ｄ ２次元伝搬領域の終端部
６００ 光合分波回路
６０１ａ〜ｄ 入力導波路
６０２ ２次元伝搬領域
６０３ 遅延導波路アレイ
６０４ ２次元伝搬領域
６０５ａ〜ｄ 出力導波路
６０６，６０７ 光合流分岐回路
６０８ スラブ領域
６０９，６１０，６１１ 溝

Claims (5)

1. ３次元導波路と、前記３次元導波路から入射した光信号が横方向の閉じ込めを感じない程度に広い幅に形成された２次元伝搬領域とを有する半導体スターカプラ型光合流分岐回路であって、
   前記３次元導波路の両側にのみ光信号を閉じ込めるための溝をそれぞれ形成して、前記３次元導波路において基板面内方向および前記基板面に垂直な方向に光信号が閉じ込められるようにし、
   前記２次元伝搬領域に光信号を入力する入力導波路、および前記２次元伝搬領域を伝搬した光信号を出力する出力導波路のすべてが前記３次元導波路で構成され、
   前記溝の溝幅が、前記２次元伝搬領域に接続される近傍を除いてほぼ一定であり、溝の深さと同等以上であり、
   前記溝のうち最も外側の溝のすべてが、前記２次元伝搬領域に接続する近傍において、入力導波路に逆行するような反射が生じないようにテーパ状に形成される
   ことを特徴とする半導体スターカプラ型光合流分岐回路。
2. 請求項１に記載された半導体スターカプラ型光合流分岐回路であって、
   前記２次元伝搬領域の終端部が、複数の３次元導波路に挟まれた領域において、光信号の伝搬方向に対して傾斜する
   ことを特徴とする半導体スターカプラ型光合流分岐回路。
3. ３次元導波路と、前記３次元導波路から入射した光信号が横方向の閉じ込めを感じない程度に広い幅に形成された第１と第２の２次元伝搬領域とを有する半導体アレイ回折格子であって、
   前記３次元導波路の両側にのみ光信号を閉じ込めるための溝をそれぞれ形成して、前記３次元導波路において基板面内方向および前記基板面に垂直な方向に光信号が閉じ込められるようにし、
   前記第１の２次元伝搬領域に光信号を入力する入力導波路、および前記第２の２次元伝搬領域を伝搬した光信号を出力する出力導波路、ならびに前記第１と第２の２次元伝搬領域の間を接続する遅延導波路アレイのすべてが前記３次元導波路で構成され、
   前記溝の溝幅が、前記２次元伝搬領域に接続される近傍を除いてほぼ一定であり、溝の深さと同等以上であり、
   前記溝のうち最も外側の溝のすべてが、前記２次元伝搬領域に接続する近傍において、入力導波路に逆行するような反射が生じないようにテーパ状に形成される
   ことを特徴とする半導体アレイ回折格子。
4. 請求項３に記載された半導体アレイ回折格子であって、
   前記第１と第２の２次元伝搬領域の終端部が、複数の３次元導波路に挟まれた領域において、光信号の伝搬方向に対して傾斜する
   ことを特徴とする半導体アレイ回折格子。
5. 請求項１または請求項２に記載された半導体スターカプラ型光合流分岐回路と、前記半導体スターカプラ型光合流分岐回路に接続され、複数本の導波路からなる遅延導波路とを有する
   ことを特徴とする半導体アレイ回折格子。
   

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