JP5081777B2 - Mach-Zehnder interferometer type optical functional element - Google Patents

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Description

本発明は、光ファイバ通信等で用いられる基板型光導波路部品により構成されるマッハツェンダ干渉計型光機能素子において、位相制御器として原理的に透過光が減衰し、当該部位において過剰な伝送損失が発生するような機構を適用した場合に、その出力光強度を向上せしめ、消光比を改善する技術に関する。   The present invention is a Mach-Zehnder interferometer type optical functional element composed of a substrate-type optical waveguide component used in optical fiber communication or the like. In principle, transmitted light is attenuated as a phase controller, and excessive transmission loss occurs in the part. The present invention relates to a technique for improving the output light intensity and improving the extinction ratio when a mechanism such as this is applied.

従来、マッハツェンダ干渉計からなる光変調器あるいは光スイッチのような光機能素子が知られており、光ファイバ通信システムに広く用いられている。例えば、熱光学効果を利用した光機能素子として、石英系基板型光導波路上に薄膜ヒーターを形成し、熱光学位相シフタを形成した光スイッチが特許文献1などに開示されている。
また、電気光学効果を利用した光機能素子として、ニオブ酸リチウム(LiNbO)を用いた光変調器が広く普及している。
しかしながら、先に記載された技術は、熱光学効果を用いたものについては熱伝導を利用していることから応答速度が遅く、光スイッチとして用いた時の切替速度は数ミリ秒程度である。また、ニオブ酸リチウムを用いた光変調器の素子寸法は大きく、高密度集積することが出来ない上に、高価であるという課題がある。
Conventionally, an optical functional element such as an optical modulator or an optical switch including a Mach-Zehnder interferometer is known and widely used in an optical fiber communication system. For example, Patent Document 1 discloses an optical switch in which a thin film heater is formed on a quartz-based substrate type optical waveguide and a thermo-optic phase shifter is formed as an optical functional element utilizing the thermo-optic effect.
In addition, an optical modulator using lithium niobate (LiNbO 3 ) is widely used as an optical functional element utilizing the electro-optic effect.
However, the technique described above uses a thermal optical effect for the technique using the thermo-optic effect, so the response speed is slow, and the switching speed when used as an optical switch is about several milliseconds. In addition, the optical modulator using lithium niobate has a large element size, and cannot be integrated at high density, and is expensive.

これら欠点を克服する技術として、近年CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)製造プロセスを用いて光導波路部品を製造するシリコンフォトニクスデバイス技術が注目を集めている。この技術によれば、小型で高密度集積が可能な光部品を安価に製造可能であるという特徴を有する。しかし、シリコンフォトニクスデバイス技術においてキャリア注入による屈折率変化を用いた場合、自由キャリア吸収(FCA:Free Carrier Absorption)による損失が発生する。
従って、マッハツェンダ型干渉計(MZI)の2つの光路の一方にのみ位相制御器を用意し、これにより干渉を制御して出力光のオン/オフを行う構成の光変調器や光スイッチを構成した場合には、位相制御器のある光路のみ損失が増大することから、干渉光の強度バランスがとれず、消光比が劣化するという問題がある。
As a technique for overcoming these disadvantages, silicon photonics device technology for manufacturing optical waveguide components using a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) manufacturing process has recently attracted attention. According to this technique, a small and high density integrated optical component can be manufactured at low cost. However, when the refractive index change due to carrier injection is used in silicon photonics device technology, loss due to free carrier absorption (FCA) occurs.
Therefore, a phase controller is prepared only in one of the two optical paths of the Mach-Zehnder interferometer (MZI), thereby configuring an optical modulator or optical switch configured to control the interference and turn on / off the output light. In this case, since the loss increases only in the optical path having the phase controller, there is a problem that the intensity balance of the interference light cannot be achieved and the extinction ratio is deteriorated.

マッハツェンダ干渉計において一方の光路の損失が大きいことに対する対策の一例が、以下の特許文献2に開示されている。この特許文献2に記載の技術には、マッハツェンダ型干渉計の2つの分岐部(光カプラ部)のうち、少なくとも一方の分岐部に該分岐部の分岐比を変える分岐比調整部として電極を設けた構造が開示されている。
しかしながら、この技術の場合にはマッハツェンダ干渉計の光カプラ部に電極を設け、この電極により分岐比を制御する構造となっており、電極が増加する分、制御が複雑になる問題がある。
特開平6−34924号公報 特開平7−9524号公報
An example of a countermeasure against the large loss of one optical path in the Mach-Zehnder interferometer is disclosed in Patent Document 2 below. In the technique described in Patent Document 2, an electrode is provided as a branching ratio adjusting unit that changes the branching ratio of at least one of the two branching units (optical coupler units) of the Mach-Zehnder interferometer. A different structure is disclosed.
However, this technique has a structure in which an electrode is provided in the optical coupler portion of the Mach-Zehnder interferometer and the branching ratio is controlled by this electrode, and there is a problem that the control becomes complicated as the number of electrodes increases.
JP-A-6-34924 Japanese Patent Laid-Open No. 7-9524

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、マッハツェンダ干渉計型光機能素子において、位相制御器として原理的に透過光が減衰し、当該部位において過剰な伝送損失が発生するような機構を適用した場合であっても、その出力光強度を向上せしめ、消光比を改善することができる技術の提供を目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and in a Mach-Zehnder interferometer type optical functional element, a mechanism in which transmitted light is attenuated in principle as a phase controller, and excessive transmission loss occurs in the part. It is an object of the present invention to provide a technique capable of improving the output light intensity and improving the extinction ratio even when applied.

上記の課題を解決するため、本発明は、入力光導波路と、この入力光導波路に接続されて入力光導波路から入射された信号光を2つに分配して出射する分波部と、この分波部から出射される光が入射される第1の光路及び第2の光路と、該第2の光路の一部として設けられ外部から入力される位相制御信号に応じて信号光の位相を調整する光変調部と、前記第1の光路と第2の光路に接続されて前記第1の光路からの信号光と第2の光路からの信号光を合波して出射する合波部と、該合波部からの合波光が出射される出力導波路とを有するマッハツェンダ干渉計型光機能素子であって、前記第2の光路は前記光変調部に起因して第1の光路よりも光伝搬損失が大きくされ、前記分波部は固定の非等分岐比とされ、前記第2の光路に入射する光強度が前記第1の光路に入射する光強度よりも強くされてなり、前記分波部の分岐比が、出力導波路からの出射光強度を最大とするように前記光変調部において位相を制御した状態において、前記第1の光路からの合波部に対する信号光強度と、第2の光路からの合波部に対する信号光強度とが等しくなるように決められたものであり、前記分波部がY分岐型光導波路とされ、分波部の入射側から出射側に徐々にコア部幅の広がるテーパー部が形成され、入力光導波路の中心の延長軸に対するテーパー部の両側面の傾斜角度が第1の光路側と第2の光路側とで異なり、前記分波部の出力端に2本のSベンド型の光導波路が接続されて前記第1の光路と第2の光路が形成されるとともに、前記分波部において、前記テーパー部に入射する手前の入力光導波路部分が直線状とされ、該テーパー部の2つの側壁のうち、前記第1の光路側の側壁が該入力光導波路のテーパー部近傍の直線部の光軸に平行とされ、前記第2の光路側の側壁が該入力光導波路のテーパー部近傍の直線部の光軸に対して傾斜され、該テーパー部の出力端の幅が、該テーパー部の出力端に接続された2本のSベンド型の光導波路の幅の合計に、該2本のSベンド型の光導波路の始端のギャップ幅を加算した値と等しくされ、2本のSベンド型の光導波路部の間隔が、該テーパー部の出力端に接続された始端部側で一番狭く、終端に向かって互いに徐々に離隔されてなり、前記Sベンド型の光導波路を接続した前記テーパー部の端面が前記入力光導波路終端の端面と平行とされてなることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention includes an input optical waveguide, a demultiplexing unit that is connected to the input optical waveguide and that divides and emits the signal light incident from the input optical waveguide, The phase of the signal light is adjusted according to the first optical path and the second optical path where the light emitted from the wave part is incident, and a phase control signal provided as a part of the second optical path. An optical modulation unit that couples the signal light from the first optical path and the signal light from the second optical path connected to the first optical path and the second optical path, A Mach-Zehnder interferometer-type optical functional element having an output waveguide from which the multiplexed light from the multiplexing unit is emitted, wherein the second optical path is lighter than the first optical path due to the optical modulation unit. Propagation loss is increased, the demultiplexing section has a fixed unequal branching ratio, and light incident on the second optical path Degree Ri is Na is stronger than the intensity of light incident on the first optical path, a branching ratio of the branching unit, a phase in the optical modulating unit so as to maximize the output light intensity from the output waveguide In the controlled state, the signal light intensity for the multiplexing part from the first optical path is determined to be equal to the signal light intensity for the multiplexing part from the second optical path, and the demultiplexing is performed. The part is a Y-branch type optical waveguide, and a tapered part whose width gradually increases from the incident side to the outgoing side of the branching part is formed, and the inclination angles of both side surfaces of the tapered part with respect to the extension axis at the center of the input optical waveguide Are different between the first optical path side and the second optical path side, and two S-bend type optical waveguides are connected to the output end of the branching unit to form the first optical path and the second optical path. In addition, in the demultiplexing part, the incident part before entering the tapered part The force optical waveguide portion is linear, and of the two side walls of the tapered portion, the side wall on the first optical path side is parallel to the optical axis of the linear portion in the vicinity of the tapered portion of the input optical waveguide. The two side walls on the optical path side are inclined with respect to the optical axis of the linear portion in the vicinity of the tapered portion of the input optical waveguide, and the width of the output end of the tapered portion is connected to the output end of the tapered portion. The sum of the widths of the S-bend type optical waveguides is equal to the sum of the gap widths at the start ends of the two S-bend type optical waveguides, and the distance between the two S-bend type optical waveguides is Narrowest at the start end side connected to the output end of the taper portion, and gradually separated from each other toward the end, and the end surface of the taper portion connecting the S bend type optical waveguide is the end of the input optical waveguide the end faces of the parallel, characterized in Rukoto such by.

本発明のマッハツェンダ干渉計型光機能素子において、前記光変調部にP型半導体である領域とN型半導体である領域の両方または一方が含まれ、この光変調部が、位相制御信号として2個の電極に電圧を印加することによって該半導体の領域にキャリア濃度変化による屈折率変化を誘起する構造であり、前記第2の光路に前記第1の光路と比較して過剰に有する光伝搬損失が、自由キャリア吸収による損失とされてなることが好ましいIn the Mach-Zehnder interferometer-type optical functional element of the present invention, the optical modulation unit includes either or both of a region that is a P-type semiconductor and a region that is an N-type semiconductor, and two optical modulation units are provided as phase control signals. In this structure, a refractive index change due to a change in carrier concentration is induced in the semiconductor region by applying a voltage to the electrode, and the second optical path has an excessive light propagation loss compared to the first optical path. The loss due to free carrier absorption is preferred .

本発明のマッハツェンダ干渉計型光機能素子において、前記入力光導波路と分波部と第1の光路と第2の光路と合波部において、信号光が透過する各部位は屈折率の高い材料からなるコア部を屈折率の低い材料からなるクラッド層が包囲してなる光導波路構造であり、前記コア部がシリコン、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素のいずれかからなり、前記光変調部の半導体領域がシリコンにドーパントとなる元素を注入して構成され、基板型光導波路部品であることが好ましいIn the Mach-Zehnder interferometer type optical functional element of the present invention, each part through which the signal light passes is made of a material having a high refractive index in the input optical waveguide, the demultiplexing unit, the first optical path, the second optical path, and the multiplexing unit. An optical waveguide structure in which a core layer is surrounded by a clad layer made of a material having a low refractive index, the core part is made of silicon, silicon nitride, or silicon oxynitride, and a semiconductor region of the light modulation part is It is preferably a substrate type optical waveguide component configured by injecting an element as a dopant into silicon.

本発明のマッハツェンダ干渉計型光機能素子は、前記分岐部のテーパー部の長さを横軸に、分岐比を縦軸にとって、前記入力光導波路の入射光パワーに対する前記第1の出力導波路と第2の出力導波路からの出射光パワーの強度比を測定した結果のグラフを描画し、前記テーパー部の長さが長くなるに従って分岐比が増大する最初の区間が第1の区間とされ、これに続くテーパー部の長さが長くなるに従って分岐比が減少する区間が第2の区間とされた時、前記テーパー部の長さが第2の区間の範囲から選択されたことが好ましい
本発明のマッハツェンダ干渉計型光機能素子は、前記第1の光路よも光路長の短い前記第2の光路にのみ、位相制御器が設けられたことが好ましい
The Mach-Zehnder interferometer-type optical functional element of the present invention includes the first output waveguide with respect to the incident optical power of the input optical waveguide, with the length of the tapered portion of the branching portion as the horizontal axis and the branching ratio as the vertical axis. The graph of the result of measuring the intensity ratio of the output light power from the second output waveguide is drawn, and the first section where the branching ratio increases as the length of the tapered portion increases is the first section, It is preferable that the length of the tapered portion is selected from the range of the second section when the section in which the branching ratio decreases as the length of the subsequent tapered section becomes the second section.
Mach-Zehnder interferometer type optical functional device of the present invention, the first even Ri by the optical path only a short said second optical path of the optical path length, it is preferable that the phase controller is provided.

以上説明したように本発明によれば、分波部の分岐比を非等分岐比とし、損失の大きい第2の光路に多くの光を入射する構造としたことで、第1の光路の出射光強度と第2の光路の出射光強度を揃えることができ、光出力強度の低下を抑止し、消光比の劣化を抑止したマッハツェンダ干渉計型光機能素子を提供することができる。また、分波部の分岐比を固定としたため、制御を複雑化することなく上述の作用効果を得ることができる。
光変調部にP型とN型の少なくとも一方の半導体領域を含ませ、電極による電圧により前記半導体領域のキャリア濃度変化による屈折率変化を誘起する構造で位相制御するならば、光スイッチとしての応答速度を高速にすることができる。
As described above, according to the present invention, the branching ratio of the demultiplexing unit is set to be an unequal branching ratio, and a structure in which a large amount of light is incident on the second optical path having a large loss can be obtained. It is possible to provide a Mach-Zehnder interferometer type optical functional element in which the emission intensity and the emission intensity of the second optical path can be made uniform, the decrease in the light output intensity is suppressed, and the deterioration of the extinction ratio is suppressed. In addition, since the branching ratio of the branching unit is fixed, the above-described effects can be obtained without complicating the control.
If the optical modulator includes at least one of P-type and N-type semiconductor regions and phase control is performed with a structure in which a refractive index change caused by a change in carrier concentration of the semiconductor region is induced by a voltage from the electrodes, the response as an optical switch Speed can be increased.

また、コア部とクラッド層からなるコア構造とし、光変調部の半導体領域として、シリコンにドーパントとなる元素を注入して構成する基板型光導波路部品とするならば、シリコンフォトニクス技術を用いて基板上に光導波路を形成することができ、素子を小型化した光部品とすることができ、しかも安価に提供できる。   Moreover, if a substrate-type optical waveguide component configured by injecting an element serving as a dopant into silicon as a semiconductor region of the light modulation unit as a core structure including a core part and a clad layer is used, a substrate using silicon photonics technology is used. An optical waveguide can be formed thereon, and an optical component with a miniaturized element can be obtained.

分波部として、コア部幅の拡がるテーパー部を備えた構造を採用することで、分岐比を固定化することが容易にでき、制御を複雑とすることなく第1の光路の出射光強度と第2の光路の出射光強度を揃えることができ、光出力強度の低下を抑止し、消光比の劣化を抑止することができる。
分波部として、9対1を下回る固定の分岐比を有し、非等分岐であるような中間の分岐比を有する構造をシングルモードのY分岐型基板型導波路において低損失であり、大きな製造トレランスにて実現することができる。
また、分波部のテーパー長として、入力光導波路の入射光パワーに対する第1の出力導波路と第2の出力導波路からの出射光パワーの強度比を測定した結果のグラフを利用し、テーパー部の長さが長くなるに従って分岐比が増大する最初の第1の区間ではなく、これに続くテーパー部の長さが長くなるに従って分岐比が減少する第2の区間を利用することにより、更に低損失、かつ、大きな製造トレランスを達成可能なマッハツェンダ干渉計型光機能素子を提供することができる。
更に、第1の光路と第2の光路について光路長の短い方に位相制御器を設ける構造とすることで、光路長の長い方に位相制御器を設ける構造よりも、伝送損失差を抑制することができる。
By adopting a structure having a taper part with an expanded core part width as a demultiplexing part, the branching ratio can be easily fixed, and the outgoing light intensity of the first optical path can be obtained without complicating the control. The emitted light intensity of the second optical path can be made uniform, a decrease in the light output intensity can be suppressed, and the deterioration of the extinction ratio can be suppressed.
As a branching unit, a structure having a fixed branching ratio lower than 9 to 1 and an intermediate branching ratio such as unequal branching has low loss in a single-mode Y-branch substrate type waveguide, and is large This can be achieved with manufacturing tolerance.
Further, as the taper length of the demultiplexing part, a graph showing the result of measuring the intensity ratio of the output light power from the first output waveguide and the second output waveguide with respect to the incident light power of the input optical waveguide is used. By using the second section in which the branching ratio decreases as the length of the tapered portion increases, instead of the first first section in which the branching ratio increases as the length of the section increases. It is possible to provide a Mach-Zehnder interferometer type optical functional element that can achieve a low loss and a large manufacturing tolerance.
In addition, by adopting a structure in which the phase controller is provided in the shorter optical path length for the first optical path and the second optical path, the transmission loss difference is suppressed compared to the structure in which the phase controller is provided in the longer optical path length. be able to.

以下に本発明のマッハツェンダ干渉計型光機能素子の一実施形態について図面を元に説明する。なお、以下に説明する各実施形態は、本発明の主旨を理解しやすいように具体的に説明するものであり、本発明は以下の実施形態により制限されるものではない。
図1〜図4は本実施形態のマッハツェンダ干渉計型光機能素子を模式的に示すもので、この実施形態のマッハツェンダ干渉計型光機能素子Aは、基板1とその上に形成された伝送路2とこの伝送路2の途中に設けられた位相制御器3を主体として構成されている。
本実施形態の伝送路2は、いわゆるマッハツェンダ型の光導波路であって、例えば、屈折率が調整された窒化シリコン(SiN)などのコア部と該コア部を囲んで設けられる屈折率が調整されたクラッド層からなる光導波路を備えて構成されている。
An embodiment of a Mach-Zehnder interferometer type optical functional element of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, each embodiment described below is specifically described so that the gist of the present invention can be easily understood, and the present invention is not limited to the following embodiment.
1 to 4 schematically show a Mach-Zehnder interferometer-type optical functional element of this embodiment. A Mach-Zehnder interferometer-type optical functional element A of this embodiment includes a substrate 1 and a transmission line formed thereon. 2 and a phase controller 3 provided in the middle of the transmission path 2.
The transmission line 2 of the present embodiment is a so-called Mach-Zehnder type optical waveguide, for example, a core part such as silicon nitride (SiN) whose refractive index is adjusted, and a refractive index provided surrounding the core part is adjusted. An optical waveguide composed of a clad layer is provided.

この例の伝送路2は一つの光導波路によって構成された入力光導波路5をY型の分波部6により2つの光路7、8に分岐させ、第1の光路7と第2の光路8に所望の光路長差を設けることで、具体的には第2の光路8が第1の光路7より短く形成されることでマッハツェンダ干渉計として構成されている。また、第1の光路7と第2の光路8は互いの経路の延長部のコア部どうしを接近配置して合波部9として構成され、この合波部9において光が干渉された後、出力光とされるようになっている。更に、第1の光路7側において合波部9の先に延長された部分が第1の出力導波路10とされ、第2の光路8側において合波部9の先に延長された部分が第2の出力導波路11とされている。更に、短い方の第2の光路8の途中部分、即ち、分波部6と合波部9との間に位置する第2の光路8の一部分には、フォトニック結晶構造部などを利用した位相制御器3が設けられている。なお、先の合波部9は、Y分岐光導波路を逆向きに用いたY字型カプラであるか、または、方向性結合器からなる構成であっても良い。
次に、位相制御器3は第2の光路8の途中部分に設けられた光変調部12とこの光変調部12に電極3A、3Bを介し配線13により電気的に接続された制御器14を具備してなり、制御器14からの制御信号により光変調部12を介して第2の光路8を通過中の光を変調できるように構成されている。
In this example, the transmission path 2 branches an input optical waveguide 5 constituted by one optical waveguide into two optical paths 7 and 8 by a Y-type demultiplexing unit 6, and the first optical path 7 and the second optical path 8 are branched. By providing a desired optical path length difference, specifically, the second optical path 8 is formed to be shorter than the first optical path 7 so that a Mach-Zehnder interferometer is configured. Further, the first optical path 7 and the second optical path 8 are configured as a multiplexing unit 9 by arranging the core portions of the extension portions of the paths close to each other, and after the light is interfered in the multiplexing unit 9, It is supposed to be output light. Further, the portion extended to the tip of the combining portion 9 on the first optical path 7 side is the first output waveguide 10, and the portion extended to the tip of the combining portion 9 on the second optical path 8 side is The second output waveguide 11 is used. Further, a photonic crystal structure or the like is used for the middle part of the shorter second optical path 8, that is, for a part of the second optical path 8 located between the demultiplexing unit 6 and the multiplexing unit 9. A phase controller 3 is provided. Note that the previous multiplexing unit 9 may be a Y-shaped coupler using a Y-branch optical waveguide in the reverse direction, or may be configured by a directional coupler.
Next, the phase controller 3 includes a light modulation unit 12 provided in the middle part of the second optical path 8 and a controller 14 electrically connected to the light modulation unit 12 through the electrodes 3A and 3B via the wirings 13. The light passing through the second optical path 8 can be modulated via the light modulator 12 by a control signal from the controller 14.

前記基板1上に形成される光導波路の一例として、図4に断面構造を示す如く基板1の上に下部クラッド層15と上部クラッド層16とに囲まれた状態でコア部17が設けられた構造を例示することができる。基板1として例えばシリコン基板やSOI(Silicon On Insulator)基板あるいは石英基板などを適用することができる。コア材料あるいはクラッド材料としては、窒化ケイ素(Si)、酸窒化ケイ素(SiOxNy)、二酸化ケイ素(SiO)などを適宜用いることができる。
本実施形態の分波部6は、入力光導波路5から入射された信号光を所望の分岐比で第1の光路7と第2の光路8とに分岐する固定分岐比の非等分岐を有するY分岐光導波路としての機能を発揮する。なお、分波部6は同じ機能を奏する方向性結合器であっても良い。
As an example of the optical waveguide formed on the substrate 1, a core portion 17 is provided on the substrate 1 so as to be surrounded by a lower cladding layer 15 and an upper cladding layer 16 as shown in a cross-sectional structure in FIG. The structure can be exemplified. As the substrate 1, for example, a silicon substrate, an SOI (Silicon On Insulator) substrate, a quartz substrate, or the like can be applied. As a core material or a cladding material, silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxynitride (SiOxNy), silicon dioxide (SiO 2 ), or the like can be used as appropriate.
The branching unit 6 of the present embodiment has unequal branching with a fixed branching ratio that branches the signal light incident from the input optical waveguide 5 into the first optical path 7 and the second optical path 8 at a desired branching ratio. It functions as a Y-branch optical waveguide. Note that the branching unit 6 may be a directional coupler having the same function.

次に、入力光導波路5とマッハツェンダ干渉計を構成する第1の光路7及び第2の光路8と出力光導波路10、11は、信号光の波長についてシングルモードの光導波路となるように構成されている。この例のマッハツェンダ干渉計は、第1の光路7と第2の光路8との光路差をΔL、当該導波路に所定波長の光信号を伝搬させた時の実効屈折率をNeffとした時、mを整数として、ΔL・Neffがm・λとなる時に、位相差がm・2πとなって干渉によって強め合い、また、(m+1/2)λとなる時に位相差が(2m+1)πとなって、干渉によって打消合うように機能する。
一般に、マッハツェンダ干渉計は1対1に分岐した位相の違う光信号を再び合波させて干渉させるものであるから、位相差を与える2つの光導波路のそれぞれの伝搬損失が一致している必要がある。ここで、第1の光路7と第2の光路8とで伝搬損失量が大きく異なると、打ち消し合うように干渉させた場合に十分に打ち消されることなく伝搬損失量の差に応じた出力光が残ることとなる。よって、変調器として用いた場合、あるいは光スイッチとして用いた場合に、消光比が小さいものとなってしまう。
Next, the first optical path 7 and the second optical path 8 and the output optical waveguides 10 and 11 constituting the input optical waveguide 5 and the Mach-Zehnder interferometer are configured to be single-mode optical waveguides for the wavelength of the signal light. ing. In the Mach-Zehnder interferometer of this example, when the optical path difference between the first optical path 7 and the second optical path 8 is ΔL, and the effective refractive index when an optical signal having a predetermined wavelength is propagated through the waveguide is Neff, When ΔL · Neff is m · λ, where m is an integer, the phase difference is m · 2π and is strengthened by interference, and when (m + 1/2) λ, the phase difference is (2m + 1) π. And function to counteract by interference.
In general, since the Mach-Zehnder interferometer multiplexes and interferes optical signals with different phases that are branched in a one-to-one relationship, the propagation losses of the two optical waveguides that give the phase difference must match. is there. Here, if the amount of propagation loss differs greatly between the first optical path 7 and the second optical path 8, the output light corresponding to the difference in the amount of propagation loss is not sufficiently canceled when interference is made to cancel each other. It will remain. Therefore, when used as a modulator or as an optical switch, the extinction ratio is small.

伝搬損失差が生じる要因としては、シリコンフォトニクス技術を用いた基板型光導波路部品ではFTTH(Fiber To The Home)用の光スプリッタなど比屈折率差が小さい従来の石英系基板型光源波路や高分子基板型光導波路などと比較して、比屈折率差が大きいことから、製造プロセスに起因するコア側壁の荒れによる散乱が大きいことが光路長差に応じた伝搬損失量の差となることがあげられる。また、位相制御器における光学特性可変機構としてキャリア濃度変化によるプラズマ効果を用いる場合、キャリア濃度が増加すると自由キャリア吸収も増加し損失が増加する。なお、この2つの要因を考えると、位相制御器3は第1の光路7と第2の光路8のうち、光路長が短い第2の光路8側に設けるべきであり、これによって長い方の第1の光路7側に位相制御器を設けた場合と比較して、伝搬損失量の差を小さく抑えることができる。   The cause of the difference in propagation loss is that the substrate type optical waveguide component using silicon photonics technology, such as an optical splitter for FTTH (Fiber To The Home), such as a conventional quartz type substrate type light source waveguide or polymer having a small relative refractive index difference. Since the relative refractive index difference is large compared to a substrate-type optical waveguide, etc., the large scattering due to the roughness of the core side wall caused by the manufacturing process is the difference in propagation loss depending on the optical path length difference. It is done. Further, when the plasma effect due to the carrier concentration change is used as the optical characteristic variable mechanism in the phase controller, the free carrier absorption increases and the loss increases as the carrier concentration increases. Considering these two factors, the phase controller 3 should be provided on the side of the second optical path 8 having the shorter optical path length, out of the first optical path 7 and the second optical path 8. Compared with the case where the phase controller is provided on the first optical path 7 side, the difference in the propagation loss amount can be reduced.

例えば、単純化したモデルの一例として、分波部6が仮に3dBスプリッタすなわち等分岐であり、第1の光路7及び第2の光路8のそれぞれの伝搬損失が1dBであって、位相制御器3で所望の位相シフトを実施した時の自由キャリア吸収による損失増加が3dBであるとした場合について考察する。
位相制御器3により位相シフトを与えない時に光信号が出力され、π位相シフトを与えることによって光信号が打ち消されるようにした場合、3dBの損失差が無く、十分に打ち消し合えば光信号は出力されず、実際に製作した素子の性能として一般的に20dB前後の消光比が得られるものであるが、損失差があると打ち消しきれずに15%程度の光出力が残留することとなり、消光比は7dBにまで劣化する。
これに対して本実施形態では、所望の位相シフトを与えた時に第1の光路7と第2の光路8との伝搬損失差が等しくなるようにあらかじめ分波部6の分岐比を非等分岐比とする。例えば、前記の例の場合、分波部6において4対6で第1の光路7よりも第2の光路8に、より多くの光が分配されるように構成すると、10数dBの消光比を得ることが可能となる。これは、例えば、後述する図9または図12に示す分岐比1.5dBとなるテーパ長Lを選択することに相当し、これにより、消光比が7dBに劣化するところを10数dBの消光比を得ることが可能となることを意味する。
For example, as an example of a simplified model, the demultiplexing unit 6 is assumed to be a 3 dB splitter, that is, an equal branch, the propagation loss of each of the first optical path 7 and the second optical path 8 is 1 dB, and the phase controller 3 Consider the case where the increase in loss due to free carrier absorption when a desired phase shift is performed is 3 dB.
When the phase controller 3 does not give a phase shift, an optical signal is output, and when the optical signal is canceled by giving a π phase shift, there is no 3 dB loss difference, and if the signals are sufficiently canceled, the optical signal is output. However, an extinction ratio of about 20 dB is generally obtained as the performance of the actually manufactured device. However, if there is a loss difference, the optical output of about 15% remains without being canceled out, and the extinction ratio Deteriorates to 7 dB.
On the other hand, in the present embodiment, the branching ratio of the branching unit 6 is set to be an unequal branch in advance so that the propagation loss difference between the first optical path 7 and the second optical path 8 becomes equal when a desired phase shift is given. Ratio. For example, in the case of the above-described example, when the demultiplexing unit 6 is configured so that more light is distributed to the second optical path 8 than the first optical path 7 in a 4: 6 ratio, the extinction ratio of 10 and several dB. Can be obtained. This corresponds to, for example, selecting a taper length L that gives a branching ratio of 1.5 dB shown in FIG. 9 or FIG. 12 to be described later, and this causes the extinction ratio to deteriorate to 7 dB. It means that it becomes possible to obtain.

なお、本願発明の技術は、位相制御器3から、位相シフトを与えた時に光信号が出力されるように構成した構造に適用することは適切ではない。この場合、本願発明技術を適用せず、等分岐とした場合には、出力光強度は入力光の65%程度に低下するにとどまるが、本願発明技術を適用し、分波部6を4対6で第1の光路7よりも第2の光路8に、より多くの光が分配されるように構成した場合には、出力光強度は62%程度への低下となり特性は劣化する。これは、伝搬損失が大きい第2の光路8により多くのエネルギーを分配した結果である。  It is not appropriate to apply the technique of the present invention to a structure in which an optical signal is output from the phase controller 3 when a phase shift is applied. In this case, when the technology of the present invention is not applied and the branching is made equal, the output light intensity is only reduced to about 65% of the input light. 6, when more light is distributed to the second optical path 8 than to the first optical path 7, the output light intensity decreases to about 62% and the characteristics deteriorate. This is a result of distributing much energy to the second optical path 8 having a large propagation loss.

以下に本実施形態のマッハツェンダ干渉計型光機能素子に適用可能な位相制御器と非等分岐分波部の具体構造について、より詳しく説明する。
「位相制御器」
本実施形態において適用可能な位相制御器は、素子に形成された電極パッドに電圧を印加することにより、あるいは電流を流すことにより光導波路の一部領域の屈折率を可変し、信号光の位相を制御する機能素子である。電気光学効果を利用したものや熱光学効果を利用したものなどがあるが、中でもN型半導体材料あるいはP型半導体材料を用いた、自由キャリアプラズマ効果による屈折率変化を利用したものが高速応答性に優れ、またシリコン材料を用いてこれを実現するシリコンフォトニクスデバイスならばCMOSLSI製造工程で安価に製造が可能であるので有用である。
The specific structures of the phase controller and the unequal branching / demultiplexing unit applicable to the Mach-Zehnder interferometer type optical functional element of the present embodiment will be described in more detail below.
"Phase controller"
The phase controller applicable in the present embodiment varies the refractive index of a partial region of the optical waveguide by applying a voltage to the electrode pad formed in the element or by passing a current, and the phase of the signal light Is a functional element that controls There are those using the electro-optic effect and those using the thermo-optic effect. Among them, those using an N-type semiconductor material or a P-type semiconductor material and utilizing a refractive index change due to the free carrier plasma effect are high-speed responsiveness. In addition, a silicon photonics device that realizes this using a silicon material is useful because it can be manufactured at low cost in the CMOS LSI manufacturing process.

このような光機能素子は、光導波路のコア領域の全部または一部としてシリコン材料を用いることとし、SOI(Silicon On Insulator)基板を用いることによって実現可能である。基板のSOI層のシリコンに、不純物として、例えばB(ホウ素)、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、In(インジウム)、Tl(タリウム)等をドープすればN型半導体に、また、N(窒素)、P(リン)、As(ヒ素)、Sb(アンチモン)、Bi(ビスマス)等をドープすればP型半導体とすることができる。  Such an optical functional element can be realized by using a silicon material as the whole or a part of the core region of the optical waveguide and using an SOI (Silicon On Insulator) substrate. If the silicon of the SOI layer of the substrate is doped with impurities such as B (boron), Al (aluminum), Ga (gallium), In (indium), Tl (thallium), etc., the N-type semiconductor and N ( Nitrogen), P (phosphorus), As (arsenic), Sb (antimony), Bi (bismuth) or the like can be doped to form a P-type semiconductor.

図5は、シリコン半導体を光導波路コアの一部として含む位相制御器の断面構造の―例の模式図である。
SOI基板20は、Si基板21上にSiO層22、SOI層23が形成されたものであり、このSOI層23がシリコンであって、これに周期的に微細な円柱を形成することによりフォトニック結晶部25が形成されている。また、不純物をドープすることにより部分的にN型半導体及びP型半導体としてあり、PN接合が形成されている。伝送路26は例えば屈折率が2の断面矩形の窒化ケイ素コアであり、この窒化ケイ素コアとその下方に位置するSOI層23とが一体となってシングルモード光導波路コアを構成する。また、フォトニック結晶部25を面方向に挟むように電極27、28が配置され、それらの上にはSiON層29が被覆されている。
以上の構成において、フォトニック結晶部25を挟むように配置されている電極27、28間に電圧を印加することにより、SOI層23のキャリア濃度分布が変化し、プラズマ効果により屈折率が変化して、伝搬する信号光の位相を制御することが可能となる。しかし、自由キャリアの増加は、自由キャリア吸収による伝搬損失の増加にもなる。
FIG. 5 is a schematic diagram of an example of a cross-sectional structure of a phase controller including a silicon semiconductor as a part of an optical waveguide core.
The SOI substrate 20 is obtained by forming a SiO 2 layer 22 and an SOI layer 23 on a Si substrate 21. This SOI layer 23 is silicon, and a photolithographic film is formed by periodically forming fine cylinders thereon. A nick crystal portion 25 is formed. Further, by doping with impurities, it is partially formed as an N-type semiconductor and a P-type semiconductor, and a PN junction is formed. The transmission line 26 is, for example, a silicon nitride core having a refractive index of 2 and a rectangular cross section, and the silicon nitride core and the SOI layer 23 positioned below the silicon nitride core constitute a single mode optical waveguide core. Electrodes 27 and 28 are arranged so as to sandwich the photonic crystal part 25 in the plane direction, and a SiON layer 29 is covered thereon.
In the above configuration, by applying a voltage between the electrodes 27 and 28 arranged so as to sandwich the photonic crystal part 25, the carrier concentration distribution of the SOI layer 23 is changed, and the refractive index is changed by the plasma effect. Thus, it is possible to control the phase of the propagated signal light. However, the increase in free carriers also increases propagation loss due to free carrier absorption.

図6と図7は、図5に示す基本構造の位相制御器をマッハツェンダ干渉計型光機能素子に適用した第1の例と第2の例を示す構成図である。   6 and 7 are configuration diagrams showing a first example and a second example in which the phase controller having the basic structure shown in FIG. 5 is applied to a Mach-Zehnder interferometer type optical functional element.

図6に示す第1の例では、マッハツェンダ干渉計型光機能素子Bは、SOI基板上に、入力光導波路(伝送路)31、分波部32、第1の光路33、第2の光路34、フォトニック結晶部36と電極37、38等からなる光変調部39、合波部(結合部)40、第1の出力導波路41、第2の出力導波路42を形成して作製され、入力光導波路31によって光ファイバ等から入射した光(例えば通信用波長帯域である1.55μm帯の波長を有する)を所定の位相変調を付与する光変調部へと導いて位相変調を付与できるよう構成されている。
なお、図6においては伝送路31、フォトニック結晶部36、電極37、38、バリア領域43以外の構成、例えば、伝送路31を覆うSiON(酸窒化シリコン)層等を省略している。
In the first example shown in FIG. 6, the Mach-Zehnder interferometer type optical functional element B includes an input optical waveguide (transmission path) 31, a branching unit 32, a first optical path 33, and a second optical path 34 on an SOI substrate. The optical modulation unit 39, the multiplexing unit (coupling unit) 40, the first output waveguide 41, and the second output waveguide 42 including the photonic crystal unit 36 and the electrodes 37 and 38 are formed. The input optical waveguide 31 can guide light incident from an optical fiber or the like (for example, having a wavelength in the 1.55 μm band, which is a communication wavelength band) to an optical modulation unit that applies predetermined phase modulation, so that phase modulation can be applied. It is configured.
In FIG. 6, configurations other than the transmission path 31, the photonic crystal portion 36, the electrodes 37 and 38, and the barrier region 43, such as a SiON (silicon oxynitride) layer that covers the transmission path 31, are omitted.

図7に示す第2の例では、マッハツェンダ干渉計型光機能素子Cは、Si基板49の上にSiO層50が形成され、それらの上に入力光導波路(伝送路)51、分波部52、第1の光路53、第2の光路54、フォトニック結晶部56と電極57、58等からなる光変調部59、合波部(結合部)60、第1の出力導波路61、第2の出力導波路62を形成して作製され、入力光導波路51によって光ファイバー等から入射した光(例えば通信用波長帯域である1.55μm帯の波長を有する)を所定の位相変調を付与する光変調部へと導いて位相変調を付与できるよう構成されている。
なお、図7においても伝送路51、フォトニック結晶部56、電極57、58、バリア領域63以外の構成を略している。
In the second example shown in FIG. 7, in the Mach-Zehnder interferometer type optical functional element C, the SiO 2 layer 50 is formed on the Si substrate 49, and the input optical waveguide (transmission path) 51 and the branching unit are formed thereon. 52, a first optical path 53, a second optical path 54, a light modulation section 59 comprising a photonic crystal section 56 and electrodes 57, 58, a multiplexing section (coupling section) 60, a first output waveguide 61, a first Light that is produced by forming two output waveguides 62 and that imparts predetermined phase modulation to light (for example, having a wavelength in the 1.55 μm band that is a communication wavelength band) incident from an optical fiber or the like by the input optical waveguide 51 It is configured such that it can be guided to the modulation unit and phase modulation can be applied.
In FIG. 7, configurations other than the transmission line 51, the photonic crystal unit 56, the electrodes 57 and 58, and the barrier region 63 are omitted.

これらのマッハツェンダ干渉計型光機能素子B、Cにおいて、例えば、フォトニック結晶部36、56は、光の入射端側は、光の進行方向に対して垂直な面の断面積が、光の進行方向に連続的に緩やかに増大していく逆テーパー形状に形成され、出射端側は、上記断面積が光の進行方向に連続的に緩やかに減少していく順テーパー形状になるように形成される。例えば、誘電体円柱を母材に三角格子状に配置することとし、この際、入射端側は伝送路の光の伝搬と直行する方向に1個、2個、3個・・と所定の個数まで徐々に1個ずつ増加するよう配置し、出射端側は伝送路11の光の伝搬と直行する方向に3個、2個、1個・・と所定の個数から徐々に1個ずつ減少するよう配置する。伝送路11を伝搬する光がフォトニック結晶部12の端面で反射することを防いで、低損失かつ高効率に位相変調を付与できるようにするためである。   In these Mach-Zehnder interferometer type optical functional elements B and C, for example, in the photonic crystal portions 36 and 56, the light incident end side has a cross-sectional area perpendicular to the light traveling direction, and the light traveling It is formed in a reverse taper shape that gradually increases gradually in the direction, and the exit end side is formed in a forward taper shape in which the cross-sectional area continuously decreases gradually in the light traveling direction. The For example, a dielectric cylinder is arranged in a triangular lattice pattern on the base material, and at this time, the incident end side is one, two, three,... A predetermined number in the direction orthogonal to the propagation of light on the transmission line. Are arranged so as to increase gradually one by one, and the emission end side gradually decreases from a predetermined number of three, two, one,... In the direction perpendicular to the propagation of light on the transmission line 11. Arrange so that. This is because the light propagating through the transmission line 11 is prevented from being reflected by the end face of the photonic crystal portion 12 and phase modulation can be applied with low loss and high efficiency.

そして、フォトニック結晶部36、56に、エネルギー付与部としての電極によって電流又は電圧を印加(エネルギー付与)することにより、フォトニック結晶部36、56を構成する母材(例えばシリコン(Si))の屈折率を変化させて、分岐後の光変調部39、59における伝送路を伝搬する光に対して位相変調が付与される。同様に、フォトニック結晶部36、56に、エネルギー付与部としての電極によって電流又は電圧を印加(エネルギー付与)することにより、フォトニック結晶部36、56を構成する母材(例えばシリコン(Si))の屈折率を変化させて、分岐後の第2の光路34、54を伝搬する光に対して位相変調が付与される。なお、一方の電極はグランド接続して他方の電極に対してのみ電流又は電圧を印加(エネルギー付与)してもよい。   Then, a base material (for example, silicon (Si)) constituting the photonic crystal portions 36 and 56 is applied to the photonic crystal portions 36 and 56 by applying current or voltage (energy application) with an electrode as an energy applying portion. , And the phase modulation is applied to the light propagating through the transmission line in the branched light modulation sections 39 and 59. Similarly, a base material (for example, silicon (Si)) constituting the photonic crystal portions 36 and 56 is applied to the photonic crystal portions 36 and 56 by applying current or voltage (energy application) to the photonic crystal portions 36 and 56 with an electrode as an energy applying portion. ) Is changed, and phase modulation is applied to the light propagating through the second optical paths 34 and 54 after branching. One electrode may be grounded and a current or a voltage may be applied (energized) only to the other electrode.

また、第2の光路34、54の近傍以外の領域のSOI層をエッチング等によって除去してバリア領域43、63を設けている。これらのバリア領域43、63は、フォトニック結晶部34、54を構成する母材よりも屈折率の小さい材料で充填して構成する。これにより、第2の光路34、54を伝搬する光が、SOI層を介して光の進行方向に対して垂直方向へと拡散することを防止(抑制)できる。なお、フォトニック結晶部36、56を構成する母材よりも屈折率の小さい材料として、例えば、フォトニック結晶部36、56を構成する母材がシリコン(Si)である場合には、酸化シリコン (SiO2)又は酸窒化シリコン(SiON)を用いればよい。 In addition, barrier regions 43 and 63 are provided by removing the SOI layer in regions other than the vicinity of the second optical paths 34 and 54 by etching or the like. These barrier regions 43 and 63 are configured by being filled with a material having a refractive index smaller than that of the base material constituting the photonic crystal portions 34 and 54. Thereby, it is possible to prevent (suppress) the light propagating through the second optical paths 34 and 54 from diffusing in the direction perpendicular to the light traveling direction through the SOI layer. As a material having a refractive index smaller than that of the base material forming the photonic crystal portions 36 and 56, for example, when the base material forming the photonic crystal portions 36 and 56 is silicon (Si), silicon oxide is used. (SiO 2 ) or silicon oxynitride (SiON) may be used.

また、SOI層には、不純物が添加されキャリアが分布している。このような不純物としては、半導体でも用いられている、P型元素のB(ホウ素)、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、In(インジウム)、Tl(タリウム)、N型元素のN(窒素)、P(リン)、As(砒素)、Sb(アンチモン)、Bi(ビスマス)等がある。これらのうち、P型元素では、ドープを容易に行なえることから、B(ホウ素)が特に好適であるため、ここでは、P型不純物であるホウ素(B)を添加し、キャリアとして正孔(ホール)が分布しているとする。
なお、リン(P)などのN型不純物を添加した場合、キャリアとして電子が分布するが、電子が分布した場合も、以下に説明する電圧印加により発生する作用は、自由キャリア吸収による屈折率変化を除いて、定性的に成立する。
また、不純物は、面内に一様に添加されていてもよいし、伝送路の下部にPN接合部を備えるように、P型不純物とN型不純物が添加されていてもよい。
Further, impurities are added to the SOI layer and carriers are distributed. Examples of such impurities include P-type elements B (boron), Al (aluminum), Ga (gallium), In (indium), Tl (thallium), and N-type elements N (nitrogen), which are also used in semiconductors. ), P (phosphorus), As (arsenic), Sb (antimony), Bi (bismuth), and the like. Among these, B (boron) is particularly suitable for the P-type element because it can be easily doped. Therefore, here, boron (B), which is a P-type impurity, is added and holes ( Hole) is distributed.
In addition, when an N-type impurity such as phosphorus (P) is added, electrons are distributed as carriers, but even when electrons are distributed, the action generated by voltage application described below is a change in refractive index due to free carrier absorption. Except for qualitatively.
Further, the impurities may be added uniformly in the plane, or P-type impurities and N-type impurities may be added so as to provide a PN junction at the lower part of the transmission line.

「電圧印加によって発生する作用」
フォトニック結晶部36、56においては、電極から印加する電圧を増加させることによって、SOI層のキャリアの速度が飽和速度を越えると、電界の集中する領域付近に、空間電荷の密度が局所的に増減したダイポール層(dipole layer)と呼ばれる二極領域が発生する。このようなダイポール層では、局所的に電界が強められ、その結果、電子系のエネルギーバンドギャップが空間的に勾配を持つ。その結果、Franz-Keldysh効果により、バンドギャップが低エネルギーシフトし、Kramers-Kronigの関係より、屈折率が増加する。
また、ダイポール層が存在すれば、局所的に、キャリアの密度が増減している。キャリアの密度が増せば、静電相互作用に基づく多体相関効果(many-body correlation effect)によって、バンドギャップが低エネルギーシフトする。この場合も同様に、Kramers-Kronigの関係より、屈折率が増加する。低エネルギーシフトの効果は、キャリア密度が高いほうが強く、キャリア密度が低いと弱い。したがって、フォトニック結晶部全体では、屈折率が増加する。
以上説明した原理から、フォトニック結晶部36、56に対する電圧印加が、フォトニック結晶部36、56に対して上述の如く作用し、結果としてフォトニック結晶部36、56の母材の屈折率が変化し、位相変調を与えることができる。
`` Action generated by voltage application ''
In the photonic crystal portions 36 and 56, if the carrier velocity of the SOI layer exceeds the saturation velocity by increasing the voltage applied from the electrodes, the space charge density is locally increased near the region where the electric field is concentrated. A dipole region called a dipole layer is generated. In such a dipole layer, the electric field is locally strengthened, and as a result, the energy band gap of the electron system has a spatial gradient. As a result, due to the Franz-Keldysh effect, the band gap is shifted by low energy, and the refractive index increases due to the Kramers-Kronig relationship.
Further, if the dipole layer is present, the carrier density locally increases or decreases. As the carrier density increases, the band gap shifts to a lower energy due to the many-body correlation effect based on electrostatic interactions. In this case as well, the refractive index increases due to the Kramers-Kronig relationship. The effect of low energy shift is stronger when the carrier density is higher and weaker when the carrier density is low. Therefore, the refractive index increases in the entire photonic crystal part.
From the principle described above, voltage application to the photonic crystal portions 36 and 56 acts on the photonic crystal portions 36 and 56 as described above, and as a result, the refractive index of the base material of the photonic crystal portions 36 and 56 is increased. It can change and give phase modulation.

「非等分岐分波部」
以下に、先の実施形態のマッハツェンダ干渉計型光機能素子Aに適用可能な非等分岐分波部の具体構造について詳述する。
従来から、基板型光導波路を用いた光分岐素子が広く普及しており、大抵の場合、その構造はY分岐型あるいは方向性結合器型であるが、製造トレランスが大きいという観点からはY分岐型が有利である。また、多くのものは、光パワー分配用として1入力2出力のY分岐型で等分岐、即ち、1対1出力のものであるか、又は、タップカプラ用として、95対5、あるいは99対1など、分岐比の大きいものである。
これらの中間の分岐比を有する光分岐素子、すなわち55対45、6対4、7対3、8対2、9対1といった割合の、9対1を下回る分岐比を有し、非等分岐であるような中間の分岐比を有する光分岐素子をシングルモードのY分岐型基板型光導波路で実現することは困難であることが、特開平6−235843号特許明細書に開示されている。
この特許明細書には、シングルモードの非対称Y宇型光分岐路では、枝分かれした2つの光導波路の内、伝搬定数の大きい光導波路側へ大半の光が流れ込んでしまい、伝搬定数の小さい光導波路にはほとんど光が流れ込まないので、シングルモードの光不等分岐回路においては、分岐比の制御が困難であるということが、非特許文献W.K.Burns et al., IEEE J. Quantum Electron, QE-11, P.32 (1975)を参照して説明されている。
`` Non-equal branching demultiplexer ''
The specific structure of the non-equally branched branching unit applicable to the Mach-Zehnder interferometer type optical functional element A of the previous embodiment will be described in detail below.
Conventionally, an optical branching device using a substrate-type optical waveguide has been widely used. In most cases, the structure is a Y-branch type or a directional coupler type. The mold is advantageous. Many of them are Y-branch type with one input and two outputs for optical power distribution, ie, one-to-one output, or 95 to 5 or 99 pairs for tap couplers. 1 or the like having a large branching ratio.
An optical branching element having an intermediate branching ratio, that is, a ratio of 55:45, 6: 4, 7: 3, 8: 2, 9: 1, and a branching ratio less than 9: 1 and unequal branching It is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-235843 that it is difficult to realize an optical branching device having an intermediate branching ratio as described above with a single-mode Y-branch substrate type optical waveguide.
In this patent specification, in a single-mode asymmetric Y U-type optical branching path, most of the two branched optical waveguides flow into the optical waveguide side having a large propagation constant, and the optical waveguide having a small propagation constant. In the single-mode optical unequal branch circuit, it is difficult to control the branching ratio, which is a non-patent document WKBurns et al., IEEE J. Quantum Electron, QE-11, P.32 (1975).

しかし、本願発明では、従来技術のこのような問題点を解決するために、以下に説明する新規構成の光分岐回路を考案し、その構造について検討し、好適な構造を提供する。
図2は、表示アスペクト比1対4とした本願発明に適用する分波部(光分岐素子)の全体図であり、図3は、その分岐部付近の拡大図であり、その部分断面構造は例えば図4のように、先に説明した光導波路と同様のコア部とクラッド層の複合構造になっている。
However, in the present invention, in order to solve such problems of the prior art, an optical branch circuit having a new configuration described below is devised, its structure is examined, and a suitable structure is provided.
FIG. 2 is an overall view of a demultiplexing section (optical branching element) applied to the present invention having a display aspect ratio of 1: 4. FIG. 3 is an enlarged view of the vicinity of the branching section. For example, as shown in FIG. 4, it has a composite structure of a core part and a clad layer similar to the optical waveguide described above.

この例の分波部6は、図3に示す如く平面視台形状をなすテーパ部6aからなり、入力光導波路5に接続される側であって入力光導波路5の幅と同じ幅の入力側端面6Aと、この入力側端面6Aに直角に配置され、直線状の入力光導波路5の側面と面一に延長される(入力光導波路5の光軸の延長軸5Aと平行に延長される)第1の側面6Bと、入力側端面6Aに対して直角な方向から若干傾斜して連続され、前記第1の側面6Bとの間の間隔を前記入力側端面6Aから離れるにつれて拡げる方向に傾斜された第2の側面6Cと、前記第1の側面6Bと第2の側面6Cの終端側に形成されて前記入力側端面6Aと平行な出力側端面6Dから囲まれた形状とされている。また、第2の側面6Cは、入力側端面6Aと出力側端面6Dの幅の差に起因する傾斜角θを有するように傾斜されている。   As shown in FIG. 3, the branching unit 6 in this example includes a tapered portion 6 a having a trapezoidal shape in plan view, and is connected to the input optical waveguide 5 and has the same width as the input optical waveguide 5. The end face 6A and the input side end face 6A are arranged at right angles, and are extended flush with the side face of the linear input optical waveguide 5 (extend parallel to the extension axis 5A of the optical axis of the input optical waveguide 5). The first side surface 6B is continuously inclined with a slight inclination from a direction perpendicular to the input side end surface 6A, and the first side surface 6B is inclined in a direction that widens as the distance from the input side end surface 6A increases. The second side surface 6C is formed on the terminal side of the first side surface 6B and the second side surface 6C, and is surrounded by the output side end surface 6D parallel to the input side end surface 6A. Further, the second side surface 6C is inclined so as to have an inclination angle θ resulting from a difference in width between the input side end surface 6A and the output side end surface 6D.

この例の分波部6の横断面は、図4に示す如きコア部17をクラッド層15、16で囲む断面構造となるが、内部に設けられているコア部17は入力側端面6A側よりも出力側端面6D側において徐々に幅広になるようなコア構造とされている。即ち、分波部6の出力側のコア部の幅は、後に説明するSベンド型の導波路7A、8Aの幅+ギャップ幅Gとなっている。ギャップ幅Gは、Sベンド型の導波路7A、8Aのコア間のクラッド層幅であるThe cross section of the branching portion 6 in this example has a cross-sectional structure in which the core portion 17 is surrounded by the cladding layers 15 and 16 as shown in FIG. 4, but the core portion 17 provided inside is from the input side end face 6A side. Also, the core structure is such that the width gradually increases on the output side end face 6D side. That is, the width of the core portion of the output side of the branching portion 6, S bend type waveguide 7A to be described later, and has a width + gap width G of 8A. The gap width G is the width of the cladding layer between the cores of the S-bend type waveguides 7A and 8A.

このコア構造の分波部6の出力側端面6Dには、Sベンド型の導波路7A、8Aが光接続されている。これらの導波路7A、8Aは先の入力光導波路5と内部構造は同等であり、それらの幅Wも入力光導波路5の幅Wと同じであるが平面視S字型に湾曲形成されている。
そして、一方の導波路7Aの始端部7aが分波部6の出力側端面6Dにおいて第1の側面6B側の端部に光接続され、他方の導波路8Aの始端部8aが分波部6の出力側端面6Dにおいて第2の側面6C側の端部に光接続されている。また、分波部6の出力側端面6Dの幅方向中央部側には導波路7A、8Aの間にギャップGが設けられている。即ち、分波部6の出力側端面6Dの幅AWは、導波路7A、8Aの両者の幅:Wを合算した値にギャップGの値を加算した幅に形成されている。(2W+G=出力側端面6Dの幅)
また、分波部6の第2の側面6Cは、入力側端面6Aの端部から出力側端面6Dの端部まで到達するテーパ面になるように形成され、分波部6において入力側端面6Aと出力側端面6Dは平行になるように配置されている。
S-bend type waveguides 7A and 8A are optically connected to the output side end face 6D of the branching section 6 of this core structure. These waveguides 7A and 8A have the same internal structure as the previous input optical waveguide 5, and their width W is the same as the width W of the input optical waveguide 5, but is curved and formed in an S-shape in plan view. .
The start end 7a of one waveguide 7A is optically connected to the end on the first side face 6B side at the output side end face 6D of the branching section 6, and the start end 8a of the other waveguide 8A is connected to the branching section 6. The output side end face 6D is optically connected to the end part on the second side face 6C side. In addition, a gap G is provided between the waveguides 7A and 8A on the width direction center portion side of the output side end face 6D of the branching portion 6. That is, the width AW of the output-side end face 6D of the branching section 6 is formed to be a width obtained by adding the value of the gap G to the sum of the widths W of the waveguides 7A and 8A. (2W + G = width of output side end face 6D)
Further, the second side surface 6C of the branching portion 6 is formed to be a tapered surface that reaches from the end portion of the input side end surface 6A to the end portion of the output side end surface 6D, and in the branching portion 6, the input side end surface 6A. And the output side end face 6D are arranged in parallel.

分波部6は、例えば、シリコンまたは石英からなる厚さ1mmあるいは0.7mmなどのウエハ上に、屈折率の低い下クラッド層を成膜し、屈折率の高いコア層を成膜し、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程によりコア層を所望の形状に成形し、屈折率の低い上クラッド層を更に成膜してコアを被覆し、これを切断して光分岐素子として得られるものである。ここでのコア材料及びクラッド材料には、当該素子で用いる光信号の波長に対して透明な各種有機・無機材料が適用可能である。   For example, the demultiplexing unit 6 forms a lower clad layer having a low refractive index on a wafer made of silicon or quartz having a thickness of 1 mm or 0.7 mm, a core layer having a high refractive index, and a photo layer. The core layer is formed into a desired shape by a lithography process and an etching process, and an upper cladding layer having a low refractive index is further formed to cover the core, which is cut to obtain an optical branching element. Various organic / inorganic materials that are transparent with respect to the wavelength of the optical signal used in the element can be applied to the core material and the clad material here.

この形態において、1本の入力光導波路5は、直線光導波路または曲がり光導波路であっても良いが、分波部6のテーパー部である第2の側面6C近傍、すなわちテーパー部分に接続される終端部付近では直線であることが好ましい。
入力光導波路5のコア幅と分波部6の各部コア幅は、コア材料の屈折率とクラッド材料の屈折率とから計算によりシングルモード光導波路となる条件範囲を求め決定する。
なお、コア側壁の荒れによる散乱に起因する伝搬損失や素子入出力部における接続損失を低減する観点からは、コア径は大きい方が好ましいが、大きくしすぎてシングルモード条件を逸脱すると、マルチモード干渉やマルチモード分散の原因となる。
ギャップの幅Gは、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程との実力値から安定してギャップGを形成できる数値範囲を求め、決定する。
狭い方が過剰損失を小さく出来るが、広い方が安定した加工が可能である。
In this embodiment, one input optical waveguide 5 may be a straight optical waveguide or a curved optical waveguide, but is connected to the vicinity of the second side surface 6C, that is, the tapered portion of the branching portion 6, that is, the tapered portion. In the vicinity of the end portion, a straight line is preferable.
The core width of the input optical waveguide 5 and the core width of each part of the demultiplexing unit 6 are determined by determining the condition range for a single mode optical waveguide by calculation from the refractive index of the core material and the refractive index of the cladding material.
From the viewpoint of reducing the propagation loss due to scattering due to the roughness of the core side wall and the connection loss in the element input / output section, it is preferable that the core diameter is large. It causes interference and multimode dispersion.
The width G of the gap is determined by determining a numerical range in which the gap G can be stably formed from the capability values of the photolithography process and the etching process.
The narrower one can reduce excess loss, but the wider one allows stable machining.

Sベンド型の導波路7A、8Aは、S宇型に屈曲した曲がり導波路であり、分波路6の出力側端面6Dの接続部位の面方向は入力光導波路5の終端の端面と平行とされ、また出力光導波路接続部位の面方向は出力光導波路始端の面と平行にされている。
Sベンド型のS字の屈曲形状は中心線の取り方によって複数の形状を提案できるが、コア部とクラッド層との比屈折率差に応じて十分に緩やかな曲率半径を用いて設計すればどのようなS宇形状であっても良い。
以下の事例検討では円弧形状を基本にしたS字導波路にて検討した。Sベンド型の導波路7A、8Aの出力端の離隔量は、次段の位相制御器及び光路長差をつける導波路の配置に依存する。この形態においてSベンド型の導波路7A、8Aに続く2本の導波路は、直線光導波路または曲がり光導波路のいずれかであり、Sベンド型の導波路7A、8Aに接続する始端近傍は直線状に形成されている。
The S-bend type waveguides 7A and 8A are bent waveguides bent into an S-shape, and the surface direction of the connection portion of the output side end face 6D of the branching waveguide 6 is made parallel to the end face of the terminal end of the input optical waveguide 5. In addition, the surface direction of the output optical waveguide connecting portion is parallel to the surface of the output optical waveguide starting end.
A plurality of S-bend S-shaped bent shapes can be proposed depending on how the center line is formed. However, if the design is performed using a sufficiently gentle radius of curvature according to the relative refractive index difference between the core portion and the cladding layer. Any S U shape may be used.
In the following case study, an S-shaped waveguide based on an arc shape was used. The distance between the output ends of the S-bend type waveguides 7A and 8A depends on the arrangement of the next phase controller and the waveguide that provides the optical path length difference. In this embodiment, the two waveguides following the S-bend type waveguides 7A and 8A are either a straight optical waveguide or a bent optical waveguide, and the vicinity of the start end connected to the S-bend type waveguides 7A and 8A is a straight line. It is formed in a shape.

なお、本発明構造において、位相制御器を除く各部分の光導波路のコア部は位相制御器と類似の構造とし、ドーパントを注入していないシリコン材料を含む導波路コアとしても良く、またシリコン材料を含まない埋込型光導波路として位相制御器の前後にテーパー構造を用いた移行部を設けても良い。   In the structure of the present invention, the core part of the optical waveguide of each part excluding the phase controller may have a structure similar to that of the phase controller, and may be a waveguide core containing a silicon material into which no dopant is implanted. A transition portion using a tapered structure may be provided in front of and behind the phase controller as an embedded optical waveguide that does not include the phase controller.

以下に本発明の構造を具体的に設計する場合の一例について説明する。
具体的な第1の設計の事例として、矩形断面を有する埋込型光導波路であり、屈折率を1.5に調整したSiON(酸窒化ケイ素)をコア材料とし、屈折率が1.465であるSiO(シリカ)を下部クラッド層及び上部クラッド層に用いた比屈折率差△=2.3%の高比屈折率差光導波路について3次元ビーム伝搬法(Beam Propagation Method、BPM)シミュレーションによって検討した結果を示す。なお、この種の導波路設計において、3次元ビーム伝搬法によるシミュレーションは当業者が設計時に常用するシミュレーション手段である。
An example in the case where the structure of the present invention is specifically designed will be described below.
As a concrete example of the first design, an embedded optical waveguide having a rectangular cross section, SiON (silicon oxynitride) whose refractive index is adjusted to 1.5 is used as a core material, and the refractive index is 1.465. A three-dimensional beam propagation method (BPM) simulation of a high relative refractive index difference optical waveguide with a relative refractive index difference Δ = 2.3% using a certain SiO 2 (silica) in the lower cladding layer and the upper cladding layer The result of examination is shown. In this type of waveguide design, simulation by the three-dimensional beam propagation method is a simulation means that is commonly used by those skilled in the art at the time of design.

下部クラッド層の厚さを5μm、コア部の幅Wを3.2μm、高さを3.2μm、上部クラッド層の厚さを8.2μmとしてシミュレーション計算した。分岐ギャップの幅Gは0.4μmとしたので、テーパー部の出力端の幅は6.8μmである。Sベンド型の導波路の曲率半径は1000μm、それに続く出力導波路の離隔距離は127μmとした。
図8は、入力導波路の入射光パワーに対する第1及び第2の出力導波路からの出射光パワーの強度比である。なお、図8における横軸のテーパー部長さは、本例で用いたシミュレーションソフト上のX座標長さの値を示す。
ここで、図2及び図3の上方、すなわちテーパー部で側壁が入力導波路直線部の光軸の延長軸と平行になっている側に接続されている出力導波路を第1の出力導波路、もう一方を第2の出力導波路とする。各出力導波路の出力光強度は、当該出力導波路からの出力光の光強度分布と当該出力導波路の基本伝搬モードの光強度分布との重なり積分をとり、これを入射光強度に対する相対値とすることで求めた。
The simulation was performed assuming that the thickness of the lower cladding layer was 5 μm, the width W of the core portion was 3.2 μm, the height was 3.2 μm, and the thickness of the upper cladding layer was 8.2 μm. Since the width G of the branch gap is 0.4 μm, the width of the output end of the tapered portion is 6.8 μm. The radius of curvature of the S-bend type waveguide was 1000 μm, and the separation distance of the output waveguide subsequent thereto was 127 μm.
FIG. 8 shows the intensity ratio of the output light power from the first and second output waveguides to the input light power of the input waveguide. In addition, the taper part length of the horizontal axis in FIG. 8 shows the value of the X coordinate length on the simulation software used in this example.
Here, the output waveguide connected to the upper side of FIG. 2 and FIG. 3, that is, the side of the taper portion whose side wall is parallel to the extension axis of the optical axis of the input waveguide linear portion is the first output waveguide. The other is the second output waveguide. The output light intensity of each output waveguide is obtained by calculating the overlap integral between the light intensity distribution of the output light from the output waveguide and the light intensity distribution of the basic propagation mode of the output waveguide, and calculating the relative value with respect to the incident light intensity. I asked for it.

図9は、出力の大きい方の導波路の出力光強度を出力の小さい方の導波路の出力光強度で割ることにより求めた分岐比である。なお、図9の縦軸と横軸の交点における縦軸の目盛は1である。図9における横軸のテーパー部長さは、本例で用いたシミュレーションソフト上のX座標長さの値を示す。なお、先の図8に示すシミュレーション結果で、テーパー長L=20μmのデータ1点だけ、第1の導波路の出力の方が大きいものとなっている。分岐比は、Lの増加とともに大きくなり、L=60μmの時、3.4まで増加する。
この間、図10に示す過剰損失は0.3〜0.2dBである。このテーパー長20μmから60μmの区間を第1の区間と呼ぶことにする。
テーパー長L=60μmの位置から分岐比は低下に転じ、L=140μmで1.1となる。テーパー長L=60〜140μmの範囲において過剰損失は0.02dB〜0.01dBと低下する。この範囲を第2の区間と呼ぶことにする。
図8に示す如く、以降、分岐比は増減を繰りかえすが、最大分岐比は小さくなっていっている。所望の分岐比を得るためには、前記第1の区間あるいは第2の区間からテーパー長Lを選択する必要があり、第1の区間と比較して第2の区間の方が過剰損失が少なく、またテーパー長の変化に対する分岐比の変化が緩やかであることから製造時の加工誤差に対するトレランスを大きくすることができる。
FIG. 9 is a branching ratio obtained by dividing the output light intensity of the waveguide having the larger output by the output light intensity of the waveguide having the smaller output. In addition, the scale of the vertical axis | shaft in the intersection of the vertical axis | shaft of FIG. The taper length of the horizontal axis in FIG. 9 indicates the value of the X coordinate length on the simulation software used in this example. In the simulation result shown in FIG. 8, the output of the first waveguide is larger by one data point with the taper length L = 20 μm. The branching ratio increases as L increases, and increases to 3.4 when L = 60 μm.
During this time, the excess loss shown in FIG. 10 is 0.3 to 0.2 dB. This section having a taper length of 20 μm to 60 μm is referred to as a first section.
The branching ratio starts to decrease from the position of the taper length L = 60 μm, and becomes 1.1 at L = 140 μm. In the range of the taper length L = 60 to 140 μm, the excess loss is reduced to 0.02 dB to 0.01 dB. This range will be referred to as the second section.
As shown in FIG. 8, after that, the branching ratio repeatedly increases and decreases, but the maximum branching ratio becomes smaller. In order to obtain a desired branching ratio, it is necessary to select the taper length L from the first section or the second section, and the second section has less excess loss than the first section. In addition, since the change in the branching ratio with respect to the change in the taper length is gradual, the tolerance for the processing error during manufacturing can be increased.

以上の検討結果から、この高比屈折率差光導波路の設計においては、テーパー長としてL=60〜140μmの範囲から所望の分岐比を実現できる数値を選択することにより、過剰損失が小さくまた製造トレランスが大きい分岐比1.1〜3.4の光分岐素子を得ることが可能である。  From the above examination results, in the design of this high relative refractive index difference optical waveguide, by selecting a numerical value capable of realizing a desired branching ratio from the range of L = 60 to 140 μm as the taper length, the excess loss is reduced and the manufacturing is performed. It is possible to obtain an optical branching element having a branching ratio of 1.1 to 3.4 with a large tolerance.

具体的な第2の設計の事例として、矩形断面を有する埋込型光導波路であり、屈折率が1.534に調整されたフッ素化ポリイミドをコア材料とし、屈折率が1.529に調整されたフッ素化ポリイミドを下部クラッド層及び上部クラッド層に用いた比屈折率差Δ=0.3%の低比屈折率差光導波路について2次元BPM(Beam Propagation Method)シミュレーションによって検討した結果を示す。なお、この種の導波路設計において、2次元BPMによるシミュレーションは当業者が設計時に常用するシミュレーション手段である。
下部クラッド層は厚さ15μm、コアは幅::7μm×高さ:7μm、上部クラッド層は厚さ22μmとして計算した。分岐ギャップの幅Gは2μmとしたので、テーパー部の出力端の幅は16μmである。Sベンド部の曲率半径は40mm、それに続く導波路の離隔距離は127μmとした。
As a specific example of the second design, an embedded optical waveguide having a rectangular cross section, a core material is fluorinated polyimide whose refractive index is adjusted to 1.534, and the refractive index is adjusted to 1.529. The result of having examined by the two-dimensional BPM (Beam Propagation Method) simulation about the low relative refractive index difference optical waveguide with relative refractive index difference (DELTA) = 0.3% which used the fluorinated polyimide for the lower clad layer and the upper clad layer is shown. In this type of waveguide design, simulation by two-dimensional BPM is a simulation means commonly used by those skilled in the art at the time of design.
The calculation was performed assuming that the lower clad layer had a thickness of 15 μm, the core had a width: W : 7 μm × height: 7 μm, and the upper clad layer had a thickness of 22 μm. Since the width G of the branch gap is 2 μm, the width of the output end of the tapered portion is 16 μm. The radius of curvature of the S bend portion was 40 mm, and the separation distance of the subsequent waveguide was 127 μm.

図11は、入力導波路の入射光パワーに対する第1及び第2の出力導波路からの出射光パワーの強度比であり、図12は分岐比を示す。なお、今回のシミュレーション結果で、テーパー長L=50μm及び100μmのデータの2点だけ第1の導波路の出力の方が大きいものとなっている。この2点を除き、分岐比は、Lの増加とともに大きくなり、L=400μmの時の5.2まで増加する。この間、図13に示す過剰損失は0.11〜0.16dBである。これを第1の区間と呼ぶことにする。ここから分岐比は低下に転じ、=900μmで1.1となる。過剰損失は0.15〜0.04dBと低下する。これを第2の区間と呼ぶことにする。なお、第1の区間と第2の区間の境界であるL=400μmを除外し、L=450〜900μmについて見ると、過剰損失は0.12〜0.04dBと少ないので、優秀な値を示している。

11 shows the intensity ratio of the output light power from the first and second output waveguides with respect to the incident light power of the input waveguide, and FIG. 12 shows the branching ratio. In this simulation result, the output of the first waveguide is larger by two points of data of the taper length L = 50 μm and 100 μm. Except for these two points, the branching ratio increases as L increases and increases to 5.2 when L = 400 μm. During this time, the excess loss shown in FIG. 13 is 0.11 to 0.16 dB. This will be referred to as the first section. From here, the branching ratio starts to drop, and becomes 1.1 at L = 900 μm. The excess loss is reduced to 0.15 to 0.04 dB. This will be referred to as a second section. Excluding L = 400 μm, which is the boundary between the first section and the second section, and looking at L = 450 to 900 μm, the excess loss is as small as 0.12 to 0.04 dB, indicating an excellent value. ing.

以降、このシミュレーション事例においても分岐比は増減し、最大分岐比が小さくなっている。所望の分岐比を得るためには、第1の区間あるいは第2の区間からテーパー長を選択する必要があり、第1の区間と比較して第2の区間の方が過剰損失が少なく、またテーパー長の変化に対する分岐比の変化が緩やかであることから製造時の加工誤差に対するトレランスが大きい。
以上のシミュレーション結果から、この低比屈折率差光導波路の設計においても、テーパー長として第2の区間のL=400〜900μmの範囲から所望の分岐比を実現できる数値を選択することにより、過剰損失が小さくまた製造トレランスが大きい分岐比1.1〜5.2の優れた光分岐素子を得ることが可能である。
Thereafter, also in this simulation example, the branching ratio increases and decreases, and the maximum branching ratio decreases. In order to obtain a desired branching ratio, it is necessary to select a taper length from the first section or the second section, and the second section has less excess loss than the first section, and Since the change in the branching ratio with respect to the change in the taper length is gradual, the tolerance for processing errors during manufacturing is large.
From the above simulation results, even in the design of this low relative refractive index difference optical waveguide, by selecting a numerical value capable of realizing a desired branching ratio from the range of L = 400 to 900 μm in the second section as the taper length, It is possible to obtain an excellent optical branching device having a branching ratio of 1.1 to 5.2 with low loss and high manufacturing tolerance.

以上説明したように上述したマッハツェンダ干渉計型光機能素子A、B、Cの構造によれば、分波部6、32、52の分岐比を非等分岐比とし、損失の大きい第2の光路8、34、54に多くの光を入射する構造としたことで、第1の光路7、33、53の出射光強度と第2の光路8、34、54の出射光強度を揃えることができ、光出力強度の低下を抑止し、消光比の劣化を抑止したマッハツェンダ干渉計型光機能素子A、B、Cを提供することができる。また、分波部6、32、52の分岐比を固定としたため、制御を複雑化することなく上述の作用効果を得ることができる。   As described above, according to the structure of the above-described Mach-Zehnder interferometer type optical functional elements A, B, and C, the branching ratio of the demultiplexing units 6, 32, and 52 is the unequal branching ratio, and the second optical path having a large loss By adopting a structure in which a large amount of light is incident on 8, 34, 54, it is possible to make the emitted light intensity of the first optical paths 7, 33, 53 and the emitted light intensity of the second optical paths 8, 34, 54 uniform. Mach-Zehnder interferometer-type optical functional elements A, B, and C that suppress the decrease in the light output intensity and suppress the deterioration in the extinction ratio can be provided. In addition, since the branching ratios of the demultiplexing units 6, 32, and 52 are fixed, the above-described effects can be obtained without complicating the control.

次に、光変調部12、39、59にP型あるいはN型の半導体領域を含ませ、電極による電圧により前記半導体領域のキャリア濃度変化による屈折率変化を誘起する構造で位相制御するならば、マッハツェンダ干渉計型光機能素子A、B、Cにおいて光スイッチとしての応答速度を高速にすることができる。   Next, if phase modulation is performed with a structure in which a P-type or N-type semiconductor region is included in the light modulators 12, 39, 59 and a refractive index change due to a change in carrier concentration of the semiconductor region is induced by a voltage due to an electrode, In the Mach-Zehnder interferometer type optical functional elements A, B, and C, the response speed as an optical switch can be increased.

また、各実施形態においてコア部17とクラッド層15、16からなるコア構造とし、光変調部12、39、59の半導体領域として、シリコンにドーパントとなる元素を注入して構成する基板型光導波路部品とするならば、シリコンフォトニクス技術を用いて基板1、21、49上に光導波路を形成することができ、素子を小型化した光部品とすることができ、しかも安価に提供できる。   In each embodiment, a substrate-type optical waveguide having a core structure composed of the core portion 17 and the cladding layers 15 and 16 and configured by injecting an element serving as a dopant into silicon as a semiconductor region of the light modulation portions 12, 39 and 59. In the case of a component, an optical waveguide can be formed on the substrates 1, 21, and 49 using silicon photonics technology, so that an optical component with a miniaturized element can be obtained and can be provided at low cost.

図1に示すマッハツェンダ干渉計型光機能素子Aの分波部6として、コア部幅の拡がるテーパー部6aを備えた構造を採用することで、分岐比を固定化することが容易にでき、制御を複雑とすることなく第1の光路7の出射光強度と第2の光路8の出射光強度を揃えることができ、光出力強度の低下を抑止し、消光比の劣化を抑止することができる。
分波部6として、9対1を下回る固定の分岐比を有し、非等分岐であるような中間の分岐比を有する構造をシングルモードのY分岐型基板型導波路において低損失であり、大きな製造トレランスにて実現することができる。
The branching ratio can be easily fixed and controlled by adopting a structure including a taper portion 6a in which the core width is widened as the branching portion 6 of the Mach-Zehnder interferometer type optical functional element A shown in FIG. The output light intensity of the first optical path 7 and the output light intensity of the second optical path 8 can be made uniform without complicating the light intensity, and the decrease in the light output intensity can be suppressed and the deterioration of the extinction ratio can be suppressed. .
The branching unit 6 has a fixed branching ratio lower than 9 to 1, and a structure having an intermediate branching ratio that is non-equal branching has low loss in a single-mode Y-branch substrate type waveguide, It can be realized with a large manufacturing tolerance.

また、分波部6のテーパー長Lとして、入力光導波路5の入射光パワーに対する第1の出力導波路7と第2の出力導波路8からの出射光パワーの強度比を測定した結果のグラフを利用し、テーパー部6aの長さが長くなるに従って分岐比が増大する最初の第1の区間ではなく、これに続くテーパー部の長さが長くなるに従って分岐比が減少する第2の区間を先に説明した如く利用することにより、更に低損失、かつ、大きな製造トレランスを達成可能なマッハツェンダ干渉計型光機能素子Aを提供することができる。
なお、マッハツェンダ干渉計型光機能素子B、Cにおいても分波部6と同等構成の分波部32、52を備えているので、マッハツェンダ干渉計型光機能素子Aと同等の作用効果を得ることができる。
更に、マッハツェンダ干渉計型光機能素子A、B、Cにおいて、第1の光路7、33、53と第2の光路8、34、54について光路長の短い方の第2の光路8、34、54に位相制御器12、39、59を設ける構造とすることで、光路長の長い第1の光路7、33、53側方に位相制御器12、39、59を設ける構造よりも、伝送損失差を抑制することができる。
Further, as a taper length L of the demultiplexing unit 6, a graph of the result of measuring the intensity ratio of the output light power from the first output waveguide 7 and the second output waveguide 8 with respect to the incident light power of the input optical waveguide 5 , The first section in which the branching ratio increases as the length of the tapered portion 6a increases, and the second section in which the branching ratio decreases as the length of the subsequent tapered section increases. By utilizing as described above, it is possible to provide the Mach-Zehnder interferometer type optical functional element A that can achieve a further low loss and a large manufacturing tolerance.
In addition, since the Mach-Zehnder interferometer type optical functional elements B and C are also provided with the demultiplexing sections 32 and 52 having the same configuration as the demultiplexing section 6, the same operational effects as the Mach-Zehnder interferometer type optical functional element A can be obtained. Can do.
Further, in the Mach-Zehnder interferometer type optical functional elements A, B, and C, the second optical paths 8, 34, and the second optical paths 8, 34, and 54 having the shorter optical path lengths of the first optical paths 7, 33, and 53 and the second optical paths 8, 34, 54 is provided with the phase controllers 12, 39, 59, so that the transmission loss is smaller than the structure in which the phase controllers 12, 39, 59 are provided on the sides of the first optical paths 7, 33, 53 having a long optical path length. The difference can be suppressed.

図1は本発明に係るマッハツェンダ干渉計型光機能素子の第1実施形態の概略構造を示す平面図。FIG. 1 is a plan view showing a schematic structure of a first embodiment of a Mach-Zehnder interferometer type optical functional element according to the present invention. 図2は同マッハツェンダ干渉計型光機能素子の第1実施形態に適用される入力光導波路と分波部と第1の光路並びに第2の光路を示す平面図。FIG. 2 is a plan view showing an input optical waveguide, a demultiplexing unit, a first optical path, and a second optical path applied to the first embodiment of the Mach-Zehnder interferometer type optical functional element. 図3は同マッハツェンダ干渉計型光機能素子の第1実施形態に適用される分波部の拡大図。FIG. 3 is an enlarged view of a demultiplexing unit applied to the first embodiment of the Mach-Zehnder interferometer type optical functional element. 図4は同マッハツェンダ干渉計型光機能素子の第1実施形態に適用される分波部の内部構造を示す断面図。FIG. 4 is a sectional view showing an internal structure of a demultiplexing unit applied to the first embodiment of the Mach-Zehnder interferometer type optical functional element. 図5は同マッハツェンダ干渉計型光機能素子の第1実施形態に適用される位相制御器がシリコンフォトニクスデバイスの場合の部分断面図。FIG. 5 is a partial cross-sectional view in the case where the phase controller applied to the first embodiment of the Mach-Zehnder interferometer type optical functional element is a silicon photonics device. 図6は本発明に係るマッハツェンダ干渉計型光機能素子の第2実施形態を示す構成図。FIG. 6 is a block diagram showing a second embodiment of the Mach-Zehnder interferometer type optical functional element according to the present invention. 図7は本発明に係るマッハツェンダ干渉計型光機能素子の第3実施形態を示す構成図。FIG. 7 is a block diagram showing a third embodiment of a Mach-Zehnder interferometer type optical functional element according to the present invention. 図8は本発明に係るマッハツェンダ干渉計型光機能素子の構造において各構造部の材料及び具体寸法と分波部のテーパー部の長さを基に3次元ビーム伝搬法によりシミュレーション解析した結果得られた各出力導波路の出力光パワーとテーパー部の長さとの関係を示す図。FIG. 8 shows the result of a simulation analysis by a three-dimensional beam propagation method based on the material and specific dimensions of each structural part and the length of the tapered part of the demultiplexing part in the structure of the Mach-Zehnder interferometer type optical functional element according to the present invention. The figure which shows the relationship between the output optical power of each output waveguide, and the length of a taper part. 図9は同解析の結果得られた分波部の分岐比とテーパー部の長さとの関係を示す図。FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the branching ratio of the branching portion and the length of the tapered portion obtained as a result of the same analysis. 図10は同解析の結果得られた過剰損失とテーパー部の長さとの関係を示す図。FIG. 10 is a diagram showing a relationship between excess loss and the length of the tapered portion obtained as a result of the analysis. 図11は本発明に係るマッハツェンダ干渉計型光機能素子の構造において各構造部の材料及び具体寸法と分波部のテーパー部の長さを基に2次元BPMシミュレーション解析した結果得られた各出力導波路の出力光パワーとテーパー部の長さとの関係を示す図。FIG. 11 shows each output obtained as a result of a two-dimensional BPM simulation analysis based on the material and specific dimensions of each structural part and the length of the tapered part of the demultiplexing part in the structure of the Mach-Zehnder interferometer type optical functional element according to the present invention. The figure which shows the relationship between the output optical power of a waveguide, and the length of a taper part. 図12は同解析の結果得られた分波部の分岐比とテーパー部の長さとの関係を示す図。FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the branching ratio of the branching portion and the length of the tapered portion obtained as a result of the same analysis. 図13は同解析の結果得られた過剰損失とテーパー部の長さとの関係を示す図。FIG. 13 is a diagram showing the relationship between excess loss and the length of the tapered portion obtained as a result of the same analysis.

符号の説明Explanation of symbols

A…マッハツェンダ干渉計型光機能素子、G…ギャップ、1…基板、2…伝送路、3…位相制御器、5…入力光導波路、6…分波部、6A…入力側端面、6B…第1の側面、6C…第2の側面、6D…出力側端面、7…第1の光路、7A…Sベンド型の導波路、8…第2の光路、8A…Sベンド型の導波路、9…合波部、10…第1の出力導波路、11…第2の出力導波路、12…光変調部、13…配線、14…制御部、15…下部クラッド層、16…上部クラッド層、17…コア部、31、51…入力光導波路、32、52…分波部、33、53…第1の光路、34、54…第2の光路、36、56…フォトニック結晶部、37、38、57、58…電極、39、59…光変調部、40、60…合波部、41、61…第1の出力導波路、42、62…第2の出力導波路、   A ... Mach-Zehnder interferometer type optical functional element, G ... Gap, 1 ... Substrate, 2 ... Transmission path, 3 ... Phase controller, 5 ... Input optical waveguide, 6 ... Demultiplexing part, 6A ... Input side end face, 6B ... First 1 side surface, 6C ... 2nd side surface, 6D ... output side end surface, 7 ... 1st optical path, 7A ... S bend type waveguide, 8 ... 2nd optical path, 8A ... S bend type waveguide, 9 DESCRIPTION OF SYMBOLS multiplex part, 10 ... 1st output waveguide, 11 ... 2nd output waveguide, 12 ... light modulation part, 13 ... wiring, 14 ... control part, 15 ... lower clad layer, 16 ... upper clad layer, 17 ... Core part, 31, 51 ... Input optical waveguide, 32, 52 ... Demultiplexing part, 33, 53 ... First optical path, 34, 54 ... Second optical path, 36, 56 ... Photonic crystal part, 37, 38, 57, 58... Electrode, 39, 59... Light modulator, 40, 60... Multiplexer, 41, 61. , 62 ... second output waveguides,

Claims (5)

入力光導波路と、この入力光導波路に接続されて入力光導波路から入射された信号光を2つに分配して出射する分波部と、この分波部から出射される光が入射される第1の光路及び第2の光路と、該第2の光路の一部として設けられ外部から入力される位相制御信号に応じて信号光の位相を調整する光変調部と、前記第1の光路と第2の光路に接続されて前記第1の光路からの信号光と第2の光路からの信号光を合波して出射する合波部と、該合波部からの合波光が出射される出力導波路とを有するマッハツェンダ干渉計型光機能素子であって、
前記第2の光路は前記光変調部に起因して第1の光路よりも光伝搬損失が大きくされ、前記分波部は固定の非等分岐比とされ、前記第2の光路に入射する光強度が前記第1の光路に入射する光強度よりも強くされてなり、
前記分波部の分岐比が、出力導波路からの出射光強度を最大とするように前記光変調部において位相を制御した状態において、前記第1の光路からの合波部に対する信号光強度と、第2の光路からの合波部に対する信号光強度とが等しくなるように決められたものであり、
前記分波部がY分岐型光導波路とされ、分波部の入射側から出射側に徐々にコア部幅の広がるテーパー部が形成され、入力光導波路の中心の延長軸に対するテーパー部の両側面の傾斜角度が第1の光路側と第2の光路側とで異なり、
前記分波部の出力端に2本のSベンド型の光導波路が接続されて前記第1の光路と第2の光路が形成されるとともに、前記分波部において、前記テーパー部に入射する手前の入力光導波路部分が直線状とされ、該テーパー部の2つの側壁のうち、前記第1の光路側の側壁が該入力光導波路のテーパー部近傍の直線部の光軸に平行とされ、前記第2の光路側の側壁が該入力光導波路のテーパー部近傍の直線部の光軸に対して傾斜され、該テーパー部の出力端の幅が、該テーパー部の出力端に接続された2本のSベンド型の光導波路の幅の合計に、該2本のSベンド型の光導波路の始端のギャップ幅を加算した値と等しくされ、2本のSベンド型の光導波路部の間隔が、該テーパー部の出力端に接続された始端部側で一番狭く、終端に向かって互いに徐々に離隔されてなり、前記Sベンド型の光導波路を接続した前記テーパー部の端面が前記入力光導波路終端の端面と平行とされてなることを特徴とするマッハツェンダ干渉計型光機能素子。
An input optical waveguide, a demultiplexing unit that is connected to the input optical waveguide and that divides and emits signal light incident from the input optical waveguide, and a light that is output from the demultiplexing unit A first optical path, a second optical path, a light modulation unit that is provided as a part of the second optical path and adjusts the phase of the signal light according to a phase control signal input from the outside, and the first optical path; A combining unit that is connected to the second optical path and combines and emits the signal light from the first optical path and the signal light from the second optical path, and the combined light from the combining unit is output A Mach-Zehnder interferometer type optical functional element having an output waveguide,
The second optical path has a light propagation loss larger than that of the first optical path due to the optical modulation unit, and the branching unit has a fixed unequal branching ratio, and is incident on the second optical path. Ri Na is stronger than the intensity of light intensity incident on the first optical path,
In the state where the phase is controlled in the optical modulation unit so that the branching ratio of the demultiplexing unit maximizes the output light intensity from the output waveguide, the signal light intensity to the multiplexing unit from the first optical path and , The signal light intensity from the second optical path to the combined portion is determined to be equal,
The branching portion is a Y-branch type optical waveguide, and tapered portions having a gradually widening core portion are formed from the incident side to the outgoing side of the branching portion, and both side surfaces of the tapered portion with respect to the extension axis at the center of the input optical waveguide Is different between the first optical path side and the second optical path side,
Two S-bend type optical waveguides are connected to the output end of the demultiplexing unit to form the first optical path and the second optical path, and in the demultiplexing unit, before entering the tapered unit The input optical waveguide portion is straight, and of the two side walls of the tapered portion, the side wall on the first optical path side is parallel to the optical axis of the linear portion near the tapered portion of the input optical waveguide, The two side walls on the second optical path side are inclined with respect to the optical axis of the linear portion near the tapered portion of the input optical waveguide, and the width of the output end of the tapered portion is connected to the output end of the tapered portion. The sum of the widths of the S-bend optical waveguides is equal to the sum of the gap widths at the beginnings of the two S-bend optical waveguides, and the distance between the two S-bend optical waveguides is Narrowest at the start end side connected to the output end of the taper portion, and toward each other Gradually separated becomes in the S bend type the tapered portion of the end face the input optical waveguide termination end face and parallel to the has been a Rukoto Mach-Zehnder interferometer type optical functional device according to claim of connecting the optical waveguide of the .
前記光変調部にP型半導体である領域とN型半導体である領域の両方または一方が含まれ、この光変調部が、位相制御信号として2個の電極に電圧を印加することによって該半導体の領域にキャリア濃度変化による屈折率変化を誘起する構造であり、前記第2の光路に前記第1の光路と比較して過剰に有する光伝搬損失が、自由キャリア吸収による損失とされてなることを特徴とする請求項1記載のマッハツェンダ干渉計型光機能素子。 The light modulation unit includes a region that is a P-type semiconductor and / or a region that is an N-type semiconductor, and the light modulation unit applies a voltage to the two electrodes as a phase control signal, so that A structure in which a refractive index change due to a carrier concentration change is induced in a region, and an optical propagation loss that is excessive in the second optical path as compared with the first optical path is a loss due to free carrier absorption. The Mach-Zehnder interferometer-type optical functional element according to claim 1 , wherein 前記入力光導波路と分波部と第1の光路と第2の光路と合波部において、信号光が透過する各部位は屈折率の高い材料からなるコア部を屈折率の低い材料からなるクラッド層が包囲してなる光導波路構造であり、前記コア部がシリコン、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素のいずれかからなり、前記光変調部の半導体領域がシリコンにドーパントとなる元素を注入して構成され、基板型光導波路部品であることを特徴とする請求項1又は2に記載のマッハツェンダ干渉計型光機能素子。 In each of the input optical waveguide, the demultiplexing unit, the first optical path, the second optical path, and the multiplexing unit, each portion through which signal light passes is a cladding made of a material having a high refractive index and a cladding made of a material having a low refractive index. An optical waveguide structure formed by surrounding layers, wherein the core portion is made of silicon, silicon nitride, or silicon oxynitride, and a semiconductor region of the light modulation portion is configured by injecting an element serving as a dopant into silicon. , Mach-Zehnder interferometer type optical functional device according to claim 1 or 2, characterized in that a planar optical waveguide component. 前記分岐部のテーパー部の長さを横軸に、分岐比を縦軸にとって、前記入力光導波路の入射光パワーに対する前記第1の出力導波路と第2の出力導波路からの出射光パワーの強度比を測定した結果のグラフを描画し、前記テーパー部の長さが長くなるに従って分岐比が増大する最初の区間が第1の区間とされ、これに続くテーパー部の長さが長くなるに従って分岐比が減少する区間が第2の区間とされた時、前記テーパー部の長さが第2の区間の範囲から選択されたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のマッハツェンダ干渉型光機能素子。 With the length of the tapered portion of the branching portion on the horizontal axis and the branching ratio on the vertical axis, the output light power from the first output waveguide and the second output waveguide with respect to the incident light power of the input optical waveguide The graph of the result of measuring the intensity ratio is drawn, and the first section where the branching ratio increases as the length of the tapered portion becomes the first section, and the length of the subsequent tapered section becomes longer when section branching ratio decreases is the second section, according to any one of claims 1 to 3 the length of the tapered portion is characterized in that it is selected from the range of the second section Mach-Zehnder interference type optical functional element. 前記第1の光路よも光路長の短い前記第2の光路にのみ、位相制御器が設けられたことを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載のマッハツェンダ干渉計型光機能素子。 The first even Ri by the optical path only a short said second optical path of the optical path length, the Mach-Zehnder interferometer according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the phase controller is provided Type optical functional element.
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