JP5713378B2 - Waveguide type optical filter and semiconductor laser - Google Patents
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Description
本発明は、マルチモード干渉導波路を備える導波路型光フィルター及び半導体レーザーに関する。 The present invention relates to a waveguide-type optical filter including a multimode interference waveguide and a semiconductor laser.
近年、インターネットによる情報通信社会の進展に伴い、基幹系ネットワークだけではなく、今後の情報需要や新しいサービスに対応するために、ローカルエリア系ネットワークにも波長多重技術(波長分割多重通信(WDM:Wavelength Division Multiplex))が適用されるようになってきた。ただし、ローカルエリア系ネットワークでは、特にコストやネットワーク管理運用上の観点から、基幹系ネットワークで普及した波長多重方式(DWDM(Dense WDM)方式)ではなく、広い波長範囲を利用する波長多重方式(CWDM(Coarse WDM)方式)を利用するのが一般的である。 In recent years, with the progress of the information and communication society by the Internet, not only the backbone network but also the wavelength division multiplexing technology (WDM: Wavelength) has been applied to the local area network to cope with future information demand and new services. Division Multiplex)) has been applied. However, in local area networks, wavelength multiplexing (CWDM) that uses a wide wavelength range, not wavelength multiplexing (DWDM (Dense WDM)), which is popular in backbone networks, especially from the viewpoint of cost and network management operation (Coarse WDM) method is generally used.
波長多重方式を実現する上でのキーデバイスの一つは、所望の波長を選択することのできる波長フィルターであり、DWDM方式においては、AWG(Arrayed Waveguide Grating:アレイ導波路回折格子)が広く用いられてきている(例えば、特許文献1参照)。 One of the key devices for realizing the wavelength multiplexing system is a wavelength filter that can select a desired wavelength. In the DWDM system, AWG (Arrayed Waveguide Grating) is widely used. (For example, refer to Patent Document 1).
また、CWDM方式においては、広い波長範囲をカバーするフィルターが必要であることからAWGは適当ではなく、これまでは、多層膜フィルター板を挿入する等の現実的な対応が取られていた。ただし、この方式では、2波長のうちどちらかを選択するという基本的な波長フィルタリングであれば良いが、波長数が増えてくると、多層膜フィルター板の挿入箇所も増え、機械的挿入であるがための光学的損失も無視できずに限界があった。そこで、半導体レーザーや半導体受光素子との集積が容易な、導波路型光フィルターの開発が急務となっている。 Also, in the CWDM system, a filter that covers a wide wavelength range is necessary, so AWG is not appropriate, and until now, realistic measures such as inserting a multilayer filter plate have been taken. However, in this method, basic wavelength filtering in which one of the two wavelengths is selected may be used. However, as the number of wavelengths increases, the number of insertion points of the multilayer filter plate increases, which is mechanical insertion. However, there is a limit because the optical loss due to this cannot be ignored. Therefore, there is an urgent need to develop a waveguide type optical filter that can be easily integrated with a semiconductor laser or a semiconductor light receiving element.
これに対し、導波路型光フィルターのうち、比較的設計自由度が高く、CWDM方式用のフィルター設計が可能であるものとして、マッハ・ツェンダ型及びラダー型の光フィルターが報告されている(例えば、非特許文献1、非特許文献2参照)。
On the other hand, Mach-Zehnder type and ladder type optical filters have been reported as waveguide type optical filters that have a relatively high degree of design freedom and can be used for CWDM filter design (for example, Non-Patent
ところで、ローカルエリア系ネットワークにおける光源についても、インターネットによる情報通信社会の進展に伴い、既存の光源では技術的な限界があり、更なる情報量を増大させる試みが検討されてきている。しかも、コストを可能な限り抑える必要があるため、基幹系ネットワークにおいて一般的である光変調器の使用はできる限り避け、半導体レーザーの直接変調を基本とし、その高速化を検討する必要がある。 By the way, with respect to the light source in the local area network, with the progress of the information communication society by the Internet, the existing light source has a technical limit, and an attempt to increase the amount of information has been studied. In addition, since it is necessary to reduce the cost as much as possible, it is necessary to avoid the use of an optical modulator, which is common in a backbone network, as much as possible, and to study the high speed based on direct modulation of a semiconductor laser.
これに対し、キャビティの一部を直接変調領域とし、緩和振動周波数を大きくすることのできる構造として、分布反射(DR:Distributed Reflector)及び分布フラッグ反射(DBR:Distributed Bragg Reflector)型の半導体レーザーが報告されている(例えば、非特許文献3、非特許文献4参照)。
On the other hand, as a structure in which a part of the cavity is a direct modulation region and the relaxation oscillation frequency can be increased, a distributed reflection (DR) and distributed flag reflection (DBR) type semiconductor laser is used. Have been reported (for example, see Non-Patent
また、従来の半導体レーザーは、1×3型マルチモード干渉導波路と、マルチモード干渉導波路の一方の端部に設けられ、光を導波する1本の光導波路と、マルチモード干渉導波路の他方の端部に設けられ、レーザー光を導波させる3本の光導波路(直線導波路及び曲線導波路)と、を備える。1本の直線導波路及び2本の曲線導波路の一部が、各前方端面において光の位相を整合させるように光位相整合領域を構成し、後方端面と前方端面との間で共振器が形成されている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, the conventional semiconductor laser includes a 1 × 3 type multimode interference waveguide, one optical waveguide that guides light provided at one end of the multimode interference waveguide, and a multimode interference waveguide. And three optical waveguides (straight waveguide and curved waveguide) for guiding laser light. A part of one straight waveguide and two curved waveguides constitutes an optical phase matching region so that the phase of light is matched at each front end face, and a resonator is provided between the rear end face and the front end face. (For example, refer patent document 2).
従来の光導波型フィルタは、アレイ導波路型フィルタであり、出力側スラブ導波路により伝播光を結像させ、出力用導波路に伝播光を導くために、各アレイ導波路間の間隔は中心波長の整数倍を満たすような規則性が必要である。また、従来の光導波型フィルタは、アレイ導波路の中心線を基準にして正確に左右対称な基本構造にする必要があると共に、ローランド円の構成に従う2つのスラブ導波路を形成しなければならないという製造上の制約があるという課題がある。 The conventional optical waveguide type filter is an arrayed waveguide type filter, and the distance between the arrayed waveguides is centered so that the propagation light is imaged by the output side slab waveguide and guided to the output waveguide. Regularity that satisfies an integral multiple of the wavelength is required. In addition, the conventional optical waveguide filter needs to have a basic structure that is exactly symmetrical with respect to the center line of the arrayed waveguide, and must form two slab waveguides according to the Roland circle configuration. There is a problem that there are manufacturing restrictions.
また、従来のマッハ・ツェンダ型及びラダー型の光フィルターは、基本的には入射光を2つに分岐した後に、異なる導波路長を経たうえで合波させるもので、2つの経路間の位相差に対応し、位相が合わないものは放射され、位相が整合するものは透過するという原理に基づいている。ただし、所望の透過特性を得る為には、導波方向に数段の重ね合わせを行なう必要があり、その結果、光フィルターの全長が長くなるという課題がある。また、従来のマッハ・ツェンダ型及びラダー型の光フィルターは、導波方向に数段の重ね合わせに伴い、構造が複雑化し、歩留り悪化の要因になり、ひいてはコスト高の要因にもなるという課題がある。 Also, conventional Mach-Zehnder type and ladder type optical filters basically divide incident light into two and then combine them after passing through different waveguide lengths. Corresponding to the phase difference, it is based on the principle that what is out of phase is emitted and what is in phase is transmitted. However, in order to obtain a desired transmission characteristic, it is necessary to perform several stages of superposition in the waveguide direction. As a result, there is a problem that the total length of the optical filter is increased. In addition, the conventional Mach-Zehnder type and ladder type optical filters have a structure that becomes complicated due to several stages of superposition in the waveguide direction, leading to a decrease in yield, and in turn a cost. There is.
さらに、従来の分布反射及び分布フラッグ反射型の半導体レーザーは、いずれも単一波長で発光するためのグレーティングを、導波路全体又はその一部に内包する構造となっており、結果として半導体レーザーの製造コストが比較的高くなるという課題がある。特に、従来の分布反射及び分布フラッグ反射型のレーザーは、低コスト化の要求が厳しいローカルエリア系ネットワーク等に対して、適用が困難であるという課題がある。
また、従来の半導体レーザーは、前方端面における光の位相を整合させる手段を開示しただけであり、単一波長の発振に至る手段を提供するものではない。
Furthermore, both of the conventional distributed reflection and distributed flag reflection type semiconductor lasers have a structure in which a grating for emitting light at a single wavelength is included in the entire waveguide or a part thereof. There exists a subject that manufacturing cost becomes comparatively high. In particular, the conventional distributed reflection and distributed flag reflection type laser has a problem that it is difficult to apply to a local area network or the like where cost reduction is severe.
Further, the conventional semiconductor laser only discloses means for matching the phase of light at the front end face, and does not provide means for reaching single-wavelength oscillation.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、従来の導波路型光フィルターと比較して、小型化及び低コスト化を図ることができる導波路型光フィルターを提供するものである。また、この発明は、従来の半導体レーザーと比較して、低コストの光源が実現できる半導体レーザーを提供するものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a waveguide-type optical filter that can be reduced in size and cost as compared with a conventional waveguide-type optical filter. Is. The present invention also provides a semiconductor laser capable of realizing a low-cost light source as compared with a conventional semiconductor laser.
本発明に係る導波路型光フィルターにおいては、1入力かつN(Nは3以上の整数)出力型である1×N型マルチモード干渉導波路と、1×N型マルチモード干渉導波路の入力側のポートに一端が接続される1本の光導波路からなる第1の光導波路群と、1×N型マルチモード干渉導波路の出力側の各ポートに一端がそれぞれ接続され、三種以上の異なる導波路長を有するN本の光導波路からなる第2の光導波路群と、を備え、第1の光導波路群の光導波路の他端を入射面及び出射面とし、第2の光導波路群の各光導波路の他端を反射面とし、第2の光導波路群のうち、一の光導波路の導波路長が、二種以上の異なる導波路長を有する複数本の他の光導波路の導波路長と異なり、第2の光導波路群の一の光導波路の導波路長に対する、第2の光導波路群の複数本の他の導波路の各導波路長の差に基づく、前記出射面からの透過光の繰り返しピークの間隔である波長ピーク周期Δλが、複数存在し、下記式1を満たす各整数をmとし、第2の光導波路群の一の光導波路の導波路長に対する、第2の光導波路群の複数本の他の光導波路の各導波路長との差をΔd/2とすると、下記式2を満たすものである。
[式1]
m=λ0/Δλ
(但し、λ0:入射光波長、Δλ:波長ピーク周期)
[式2]
Δd=λ0(Φ0+2π(m−1))/2πneq
(但し、neq:第2の光導波路群の光導波路の等価屈折率、Φ0:初期整合位相)
In the waveguide type optical filter according to the present invention, the input of a 1 × N type multimode interference waveguide having one input and N (N is an integer of 3 or more) output and the input of a 1 × N type multimode interference waveguide One end is connected to each port on the output side of the first optical waveguide group consisting of one optical waveguide whose one end is connected to the port on the side and the 1 × N type multimode interference waveguide , and three or more types are different a second optical waveguide group consisting of N optical waveguides that have a waveguide length, provided with, the other end of the optical waveguide of the first optical waveguide group and an entrance surface and the exit surface, the second optical waveguide The other end of each optical waveguide of the group is a reflecting surface, and the waveguide length of one optical waveguide of the second optical waveguide group is a plurality of other optical waveguides having two or more different waveguide lengths . Unlike waveguide length, for waveguide length of one optical waveguide of the second optical waveguide group, the second light Based on differences between the waveguide length of the plurality of other waveguides of waveguide group, the wavelength peak period Δλ is the distance of the repetition peak of the transmitted light from the exit surface, a plurality of present and satisfy the
[Formula 1]
m = λ 0 / Δλ
(Where λ 0 is the incident light wavelength, Δλ is the wavelength peak period)
[Formula 2]
Δd = λ 0 (Φ 0 + 2π (m−1)) / 2πn eq
(Where n eq is the equivalent refractive index of the optical waveguide of the second optical waveguide group, Φ 0 is the initial matching phase)
本発明に係る半導体レーザーにおいては、1入力かつN(Nは3以上の整数)出力型である1×N型マルチモード干渉導波路と、1×N型マルチモード干渉導波路の入力側のポートに一端が接続される1本の光導波路からなる第1の光導波路群と、1×N型マルチモード干渉導波路の出力側の各ポートに一端がそれぞれ接続され、三種以上の異なる導波路長を有するN本の光導波路からなる第2の光導波路群と、を備え、第1の光導波路群の光導波路の他端を出射面とし、第2の光導波路群の各光導波路の他端を反射面とし、1×N型マルチモード干渉導波路、第1の光導波路群及び第2の光導波路群が、活性層を有する層構造であり、第2の光導波路群のうち、一の光導波路の導波路長が、二種以上の異なる導波路長を有する複数本の他の光導波路の導波路長と異なり、第2の光導波路群の一の光導波路の導波路長に対する、第2の光導波路群の複数本の他の導波路の各導波路長の差に基づく、前記出射面からの透過光の繰り返しピークの間隔である波長ピーク周期Δλが、複数存在し、下記式5を満たす各整数をmとし、第2の光導波路群の一の光導波路の導波路長に対する、第2の光導波路群の複数本の他の光導波路の各導波路長との差をΔd/2とすると、下記式6を満たす。
[式5]
m=λ0/Δλ
(但し、λ0:入射光波長、Δλ:波長ピーク周期)
[式6]
Δd=λ0(Φ0+2π(m−1))/2πneq
In the semiconductor laser according to the present invention, a 1 × N type multimode interference waveguide of 1 input and N (N is an integer of 3 or more) output type, and a port on the input side of the 1 × N type multimode interference waveguide One end is connected to each of the ports on the output side of the 1 × N type multimode interference waveguide, and one or more different waveguide lengths are formed. A second optical waveguide group consisting of N optical waveguides having the other end of each optical waveguide of the second optical waveguide group, the other end of the optical waveguide of the first optical waveguide group being the
[Formula 5]
m = λ 0 / Δλ
(Where λ 0 is the incident light wavelength, Δλ is the wavelength peak period)
[Formula 6]
Δd = λ 0 (Φ 0 + 2π (m−1)) / 2πn eq
本発明に係る導波路型光フィルターにおいては、同一素子長内に複数の異なる光フィルター特性を重ね合わせることを可能とし、従来の導波路型光フィルターと比較して、小型化及び低コスト化を図ることができる。 In the waveguide type optical filter according to the present invention, it is possible to superimpose a plurality of different optical filter characteristics within the same element length, and it is possible to reduce the size and cost as compared with the conventional waveguide type optical filter. Can be planned.
本発明に係る半導体レーザーにおいては、グレーティングを不要とする単一波長の光源が実現でき、従来の半導体レーザーと比較して、低コストの光源を実現することができる。さらに、本発明に係る半導体レーザーにおいては、マルチモード干渉導波路が、第1の光導波路群及び第2の光導波路の各光導波路と比較して、導波路幅が広いことにより、高い電流を注入することができ、高出力化が容易に実現できる。 In the semiconductor laser according to the present invention, a single-wavelength light source that does not require a grating can be realized, and a low-cost light source can be realized as compared with a conventional semiconductor laser. Furthermore, in the semiconductor laser according to the present invention, since the multimode interference waveguide has a wider waveguide width than each optical waveguide of the first optical waveguide group and the second optical waveguide, a high current can be obtained. It can be injected and high output can be easily realized.
(本発明の第1の実施形態)
導波路型光フィルター100は、基板10上に、光導波路及びマルチモード干渉導波路が配設され、外部から入射された光を分岐し、光の位相を整合させたうえで、光を合波して外部に出射する。このため、導波路型光フィルター100は、基板10の一端面10a側における光導波路の端面を入射面とし、基板10の一端面10aに対向する他端面10b側における光導波路の端面を出射面とする場合に、分波用及び合波用のマルチモード干渉導波路をそれぞれ備える必要がある。この場合には、導波路型光フィルター100は、後述する、第1の光導波路群1、第2の光導波路群2、第3の光導波路群3、M×N型マルチモード干渉導波路4及びN×M’型マルチモード干渉導波路5を少なくとも備える(例えば、図1(a)参照)。
(First embodiment of the present invention)
The waveguide type
また、導波路型光フィルター100は、基板10の一端面10a側における光導波路の端面を入射面及び出射面とし、基板10の他端面10b側における光導波路の端面を反射面とする場合に、分波及び合波を兼用するマルチモード干渉導波路を備えればよい。この場合には、導波路型光フィルター100は、第1の光導波路群1及び第2の光導波路群2及びM×N型マルチモード干渉導波路4を少なくとも備える(例えば、図1(b)参照)。
Further, the waveguide type
なお、本実施形態においては、基板10の一端面10a側における光導波路の端面を入射面とし、基板10の他端面10b側における光導波路の端面を出射面とする場合を例に挙げて説明するが、基板10の一端面10a側における光導波路の端面を入射面及び出射面とし、基板10の他端面10b側における光導波路の端面を反射面とする導波路型光フィルター100であってもよい。
In the present embodiment, the case where the end face of the optical waveguide on the one
本実施形態に係る導波路型光フィルター100は、図1(a)に示すように、基板10上に、入射光導波路としての第1の光導波路群1と、M×N型マルチモード干渉導波路4と、光位相整合領域20としての第2の光導波路群2と、N×M’型マルチモード干渉導波路5と、出射光導波路としての第3の光導波路群3とが集積されている。
As shown in FIG. 1A, a waveguide type
M×N型マルチモード干渉導波路4は、M(Mは1以上の整数)入力かつN(Nは3以上の整数)出力型であるマルチモード干渉導波路である。なお、本実施形態においては、Mを1とし、Nを3とする1×3型マルチモード干渉導波路4aを例に挙げて説明するが、この1×3型マルチモード干渉導波路4aに限られるものではない。特に、本実施形態に係る1×3型マルチモード干渉導波路4aは、光の導波方向に沿った導波路の長さ(以下、導波路長と称す)が280μm程度であり、導波路幅が20μm程度である、略矩形状の干渉領域を有する。
The M × N type
N×M’型マルチモード干渉導波路5は、N(Nは3以上の整数)入力かつM’(M’は1以上の整数)出力型であるマルチモード干渉導波路である。なお、本実施形態においては、Nを3とし、M’を1とする3×1型マルチモード干渉導波路5aを例に挙げて説明するが、この3×1型マルチモード干渉導波路5aに限られるものではない。特に、本実施形態に係る3×1型マルチモード干渉導波路5aは、導波路長が280μm程度であり、導波路幅が20μm程度である、略矩形状の干渉領域を有する。
The N × M′-type
なお、マルチモード干渉導波路は、公知の技術を用いて設計できるのであるが、例えば、MMI(Multimode Interference:多モード干渉)理論に基づいて、M×N型マルチモード干渉導波路4及びN×M’型マルチモード干渉導波路5を、以下のように設計することができる。
The multimode interference waveguide can be designed using a known technique. For example, based on the MMI (Multimode Interference) theory, the M × N type
マルチモード干渉導波路の長さ(Lπ)の式は、下記数1のように示すことができる。ただし、数1の式に示す、W1はマルチモード干渉領域の幅を表し、Nrは導波路の屈折率を表し、Ncはクラッドの屈折率を表し、λ0は入射光波長を表す。また、σはTEモードのときσ=0を表し、TMモードのときσ=1を表す。
The expression of the length (Lπ) of the multimode interference waveguide can be expressed as the following
〔数1〕
We=W1+(λ0/π)(Nc/Nr)2σ(Nr2−Nc2)-1/2 ・・・(1)
Lπ=4NrWe 2/3λ0
また、マルチモード干渉導波路は、下記数2の式で表されるとき、1×N型の光導波路として動作することができる。また、マルチモード干渉導波路は、下記数3の式で表されるとき、M×N型の光導波路として動作することができる。なお、M及びNは正の整数であり、入力側のMは1であってもよく、出力側のNは2以上とすることができる。ただし、数2及び数3の式に示すLは、マルチモード干渉導波路の長さを表す。
[Equation 1]
W e = W 1 + (λ 0 / π) (Nc / Nr) 2 σ (Nr 2 −Nc 2 ) −1/2 (1)
Lπ = 4NrW e 2 / 3λ 0
Further, the multimode interference waveguide can operate as a 1 × N type optical waveguide when expressed by the following equation (2). The multi-mode interference waveguide can operate as an M × N type optical waveguide when expressed by the following equation (3). Note that M and N are positive integers, M on the input side may be 1, and N on the output side may be 2 or more. However, L shown in the
〔数2〕
L=(3/4N)Lπ(Nは正の整数) ・・・(2)
〔数3〕
[Equation 2]
L = (3 / 4N) Lπ (N is a positive integer) (2)
[Equation 3]
L=(3/N)Lπ(Nは正の整数) ・・・(3)
第1の光導波路群1は、M×N型マルチモード干渉導波路4の入力側の各ポート(以下、入力ポートと称す)に一端がそれぞれ接続されるM本の光導波路からなる。また、第1の光導波路群1は、各光導波路の他端を入射面とする。なお、本実施形態においては、1×3型マルチモード干渉導波路4aを例に挙げて説明するために、第1の光導波路群1は、1本の光導波路(以下、入射光導波路1aと称す)からなる。特に、本実施形態に係る入射光導波路1aは、導波路長が50μm程度であり、導波路幅が1.0μm程度である、直線領域のみからなる直線導波路である。また、入射光導波路1aは、M×N型マルチモード干渉導波路4の入力側の辺に対して略中央に接続されている。
L = (3 / N) Lπ (N is a positive integer) (3)
The first
第2の光導波路群2は、M×N型マルチモード干渉導波路4の出力側の各ポート(以下、分岐ポートと称す)に一端がそれぞれ接続され、N×M’型マルチモード干渉導波路5の入力側の各ポート(以下、合波ポートを称す)に他端がそれぞれ接続されるN本の光導波路からなる。また、第2の光導波路群2は、N本の光導波路のうち、一の光導波路の長さが、他の光導波路の長さと異なる。すなわち、一の光導波路及び他の光導波路は、1本又は複数本の光導波路であり、第2の光導波路群2は、二種以上の異なる長さを有するN本の光導波路からなる。
The second
なお、本実施形態においては、1×3型マルチモード干渉導波路4a及び3×1型マルチモード干渉導波路5aを例に挙げて説明するために、第2の光導波路群2は、3本の光導波路からなる。
In this embodiment, the second
また、第2の光導波路群2は、直線領域のみからなる直線導波路2aと、直線領域及び曲線領域からなる曲線導波路(第1の曲線導波路2b、第2の曲線導波路2c)とから構成され、各光導波路の導波路長を互いに異ならせているが、二種以上の異なる長さを有する3本の光導波路から構成されるのであれば、3本の光導波路のうち、2本の光導波路の導波路長を同一とし、残り1本の光導波路の導波路長を異ならせてもよい。
The second
また、第2の光導波路群2は、直線導波路2aと曲線導波路(第1の曲線導波路2b、第2の曲線導波路2c)とから構成されているが、二種以上の異なる長さを有する3本の光導波路から構成されるのであれば、直線導波路及び曲線導波路の組合せに限られるものではなく、例えば、直線導波路2aを曲線導波路で形成し、3本の光導波路を全て曲線導波路で構成してもよい。特に、直線導波路2aに対して導波路長を同じくする曲線導波路に変更した場合には、光位相整合領域20の領域長が短くなり、導波路型光フィルター100素子の全長を短くすることができる。また、第2の光導波路群2は、曲線導波路の替わりに、屈曲領域を含む光導波路であってもよいが、屈曲領域における伝播光の放射による光の伝播ロスが生じるために、曲線導波路にすることが好ましい。
The second
第2の光導波路群2は、図1(a)に示すように、1×3型マルチモード干渉導波路4a及び3×1型マルチモード干渉導波路5a間に、直線導波路2a、第1の曲線導波路2b及び第2の曲線導波路2cが並設され、直線導波路2aを基準として、第1の曲線導波路2b及び第2の曲線導波路2cが直線導波路2aの両側にそれぞれ配設される。
As shown in FIG. 1A, the second
直線導波路2aは、1×3型マルチモード干渉導波路4aを介して、入射光導波路1aに対向する位置に配設される。特に、光位相整合領域20が領域長として100μm程度であるために、光位相整合領域20の領域長に一致する直線導波路2aは、導波路長が100μm程度であり、導波路幅が1.0μm程度である。
The
第1の曲線導波路2bは、後述する数5に基づき、導波路型光フィルター100からの透過光の繰り返しピークの間隔(以下、波長ピーク周期と称す)Δλがおよそ13nmとなるように、後述する数4に基づき、直線導波路2aの導波路長に対する第1の曲線導波路2bの導波路長の差Δdがおよそ52μmだけ直線導波路2aよりもその長さが長くなるように設定されている。
The first
このため、第1の曲線導波路2bは、図1(a)に示すように、曲率半径Rがおよそ23μmである略S字の曲線領域を光位相整合領域20の中央で結合し、その前後(1×3型マルチモード干渉導波路4a側及び3×1型マルチモード干渉導波路5a側)におよそ4μm程度の長さの直線領域がそれぞれ配置された構成の光導波路である。
For this reason, as shown in FIG. 1A, the first
第2の曲線導波路2cは、第1の曲線導波路2bと同様に、後述する数5に基づき、波長ピーク周期Δλがおよそ26nmとなるように、後述する数4に基づき、直線導波路2aの導波路長に対する第2の曲線導波路2cの導波路長の差Δdがおよそ27μmだけ直線導波路2aよりもその長さが長くなるように設定されている。
Similarly to the first
このため、第2の曲線導波路2cは、図1(a)に示すように、曲率半径Rがおよそ12μmである略S字の曲線領域を光位相整合領域20の中央で結合し、その前後(1×3型マルチモード干渉導波路4a側及び3×1型マルチモード干渉導波路5a側)におよそ26μm程度の長さの直線領域がそれぞれ配置された構成の光導波路である。
For this reason, as shown in FIG. 1A, the second
第3の光導波路群3は、N×M’型マルチモード干渉導波路5の出力側の各ポート(以下、出力ポートと称す)に一端がそれぞれ接続されるM’本の光導波路からなる。また、第3の光導波路群3は、各光導波路の他端を出射面とする。なお、本実施形態においては、3×1型マルチモード干渉導波路5aを例に挙げて説明するために、第3の光導波路群3は、1本の光導波路(以下、出射光導波路3aと称す)からなる。特に、本実施形態に係る出射光導波路3aは、導波路長が50μm程度であり、導波路幅が1.0μm程度である、直線領域のみからなる直線導波路である。
The third
なお、入射光導波路1a、1×3型マルチモード干渉導波路4a、直線導波路2a、第1の曲線導波路2b、第2の曲線導波路2c、3×1型マルチモード干渉導波路5a及び出射光導波路3aは、層構造が同一であり、ハイメサ導波路である。また、これらの断面構造は、図2に示すように、Si基板を基材とする基板層10上に、SiO2からなる第1のクラッド層11、Siからなるコア層12、及びSiO2からなる第2のクラッド層13が、それぞれ積層されたハイメサ構造である。特に、本実施形態においては、第1のクラッド層11の膜厚は1μm程度であり、コア層12の膜厚は0.3μm程度であり、第2のクラッド層13の膜厚は1μm程度である。
The incident
また、本実施形態に係る層構造は、光導波路の材料系として、SiO2/Si/SiO2構造としているが、この材料系に限定するものではなく、例えば、InP系半導体材料であってもよいし、LiNbO3系材料であっても適用可能である。 In addition, the layer structure according to the present embodiment has a SiO 2 / Si / SiO 2 structure as a material system of the optical waveguide, but is not limited to this material system, and may be, for example, an InP semiconductor material. Even a LiNbO 3 -based material is applicable.
なお、本実施形態に係る導波路型光フィルター100は、入射光導波路1a、1×3型マルチモード干渉導波路4a、直線導波路2a、第1の曲線導波路2b、第2の曲線導波路2c、3×1型マルチモード干渉導波路5a及び出射光導波路3aをハイメサ導波路としているが、層構造を限定するものではなく、リッジ構造や埋め込み構造であっても適用可能である。
The waveguide type
以下、本実施形態に係る導波路型光フィルター100によって、小型の光フィルターが実現できる原理を説明する。
一般に、マルチモード干渉導波路でN分岐された波長λ0の光は、それぞれの振幅が等しく、また、それぞれの位相が各分岐ポート間で相対的に決まった位相で出力される。
Hereinafter, the principle that a small optical filter can be realized by the waveguide type
In general, the light of wavelength λ 0 that is N-branched in the multimode interference waveguide has the same amplitude and is output with a phase determined relatively between the branch ports.
例えば、本実施形態に係る1×3型マルチモード干渉導波路4aでは、3出力側の分岐ポートにおいて、その中央の分岐ポートから出力される光の位相を0とした場合に、その中央の分岐ポートの外側に位置する2つの分岐ポートから出力される光の位相はπ/3となる。
For example, in the 1 × 3 type
したがって、N分岐された光を、再び、N×M’型マルチモード干渉導波路5で合波させる場合には、例え、N本の全ての光導波路を伝播する光の振幅が等しくても、N×M’型マルチモード干渉導波路5の各合波ポート間で相対的に決まった位相で入力しないと、N×M’型マルチモード干渉導波路5を用いて確実に合波することができず、一部もしくは大部分の光はN×M’型マルチモード干渉導波路5から放射してしまうことになる。
Therefore, when the N-branched light is multiplexed again by the N × M ′ type
すなわち、相対的に決まった位相でN×M’型マルチモード干渉導波路5の各合波ポートに光が入力されていない場合は、光損失が生じ、光は導波路型光フィルター100を完全には透過しなくなることを意味する。このため、M×N型マルチモード干渉導波路4を用いてN分岐した光を、N×M’型マルチモード干渉導波路5で合波させる場合は、光位相整合領域20を用いて、入力側の各合波ポート間で相対的に決まった位相でN×M’型マルチモード干渉導波路5に光を入力させる必要がある。
That is, when light is not input to each multiplexing port of the N × M ′ type
なお、本実施形態に係る3×1型マルチモード干渉導波路5aでは、3入力側の合波ポートにおいて、その中央の合波ポートに入力される光の位相を0とした場合に、その中央の合波ポートの外側に位置する2つの合波ポートでの位相は5π/3として入力させるようにすればよい。
In the 3 × 1 type
具体的には、1×3型マルチモード干渉導波路4aの各分岐ポートにおける中央の分岐ポートの外側に位置する2つの分岐ポートから出力された光が、3×1型マルチモード干渉導波路5aの各ポートにおける中央の合波ポートの外側に位置する2つの合波ポートに至るまでに、その中央の合波ポートに入力される光との位相差が5π/3となるように、直線導波路2aに対して第1の曲線導波路2b及び第2の曲線導波路2cの長さを共に長くすれば、この位相差を得ることができる。
Specifically, light output from two branch ports located outside the central branch port in each branch port of the 1 × 3 type
ここで、マルチモード干渉導波路の各分岐ポートから並設する複数の光導波路のうち、中心とする光導波路の導波路長に対する、中心とする光導波路の外側にある光導波路の導波路長との差をΔdとすると、下記数4の式で表される。ただし、数4の式に示す、neqは光位相整合領域の光導波路の等価屈折率であり、Φ0は初期整合位相であり、mは整数である。 Here, among the plurality of optical waveguides arranged in parallel from each branch port of the multimode interference waveguide, the waveguide length of the optical waveguide outside the central optical waveguide with respect to the waveguide length of the central optical waveguide Is expressed by the following equation (4). Where n eq is the equivalent refractive index of the optical waveguide in the optical phase matching region, Φ 0 is the initial matching phase, and m is an integer.
〔数4〕
Δd=λ0(Φ0+2π(m−1))/2πneq ・・・(4)
[Equation 4]
Δd = λ 0 (Φ 0 + 2π (m−1)) / 2πn eq (4)
なお、本実施形態においては、前述したように、1×3型マルチモード干渉導波路4aの3出力側の分岐ポートにおいて、その中央の分岐ポートから出力される光の位相を0とした場合に、その中央の分岐ポートの外側に位置する2つの分岐ポートから出力される光の位相はπ/3となることと、3×1型マルチモード干渉導波路5aの3入力側の合波ポートにおいて、その中央の合波ポートに入力される光の位相を0とした場合に、その中央の合波ポートの外側に位置する2つの合波ポートでの位相は5π/3となることとから、初期整合位相Φ0は、Φ0=3π/5−π/3で与えられる。
In the present embodiment, as described above, in the branch port on the 3 output side of the 1 × 3 type
ここで、数4を参照すると、直線導波路2aの導波路長に対する第1の曲線導波路2b及び第2の曲線導波路2cの導波路長の差Δdは、必ずしも1つの値に限られるわけではなく、mの関数であることがわかる。このことから、ある整数mにおけるΔdと同一の値であるΔdが、整数mとは異なる整数m’及び波長λ0とは別の波長λ'によって実現できることを意味する。
Here, referring to
すなわち、本願発明に係る導波路型光フィルター100は、ある一定のFSR(Free Spectral Range:自由スペクトル領域)を有する波長フィルターであることがわかる。このFSRを波長ピーク周期Δλとすると、波長ピーク周期Δλは、下記数5の式で表される。
That is, it can be seen that the waveguide type
〔数5〕
Δλ=λ0/m ・・・(5)
[Equation 5]
Δλ = λ 0 / m (5)
このように、本願発明に係る導波路型光フィルター100は、以上に説明した原理に従い、波長ピーク周期Δλを自由に設定することができるという特徴を有している。
ここで、本実施形態では、第1の曲線導波路2b及び第2の曲線導波路2cの導波路長の長さを異なる長さとしているが、仮に、第1の曲線導波路2b及び第2の曲線導波路2cの導波路長が共に同じ長さであり、かつ、数4及び数5を満たすように設計した場合には、その透過スペクトルが、例えば、図3(a)及び図3(b)に示すようになる。
Thus, the waveguide type
Here, in the present embodiment, the first
なお、図3(a)は、波長ピーク周期Δλがおよそ26nmになるように、第1の曲線導波路2b(第2の曲線導波路2c)の導波路長を設定した場合における導波路型光フィルター100による透過スペクトルであり、横軸が波長[nm]であり、縦軸が透過率である。また、図3(b)は、波長ピーク周期Δλがおよそ13nmになるように、第1の曲線導波路2b(第2の曲線導波路2c)の導波路長を設定した場合における導波路型光フィルター100による透過スペクトルであり、横軸が波長[nm]であり、縦軸が透過率である。
FIG. 3A shows the waveguide type light when the waveguide length of the first
この図3(a)及び図3(b)に示すように、数4及び数5を満たすように、第1の曲線導波路2b及び第2の曲線導波路2cを設計することで、導波路型光フィルター100として、波長ピーク周期Δλの異なる透過スペクトルを自由に実現することができる。
As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), the first
その一方で、透過スペクトルの一つの透過ピークの線幅と波長ピーク周期Δλとは直接的に相関し、透過ピークの線幅を狭くしようとすると、波長ピーク周期Δλも同時に狭くなってしまう。特に、第1の曲線導波路2b及び第2の曲線導波路2cの導波路長が共に同じ長さでは、波長域を広い範囲で使うことが想定されるローカルエリア系ネットワークの用途として、導波路型光フィルター100の適用が困難である。
On the other hand, the line width of one transmission peak of the transmission spectrum and the wavelength peak period Δλ are directly correlated, and if the line width of the transmission peak is narrowed, the wavelength peak period Δλ also becomes narrow simultaneously. In particular, when the waveguide lengths of the first
そこで、本実施形態に係る導波路型光フィルター100は、更に次のような動作原理をも有している。
Therefore, the waveguide type
通常、前述したように、波長ピーク周期Δλと一つの透過ピークの線幅とを個別に設計する場合には、透過特性の異なる光フィルターを直列的にいくつか接続(従属接続)し、それぞれの透過特性の積として、所望の透過特性を設計することができる。例えば、背景技術で説明したマッハ・ツェンダ型やラダー型の光フィルターは、その代表例である。 Usually, as described above, when individually designing the wavelength peak period Δλ and the line width of one transmission peak, several optical filters having different transmission characteristics are connected in series (subordinate connection), A desired transmission characteristic can be designed as a product of the transmission characteristics. For example, the Mach-Zehnder type and ladder type optical filters described in the background art are typical examples.
本願発明においても、マッハ・ツェンダ型やラダー型の光フィルターと同様に、波長ピーク周期Δλが26nmの波長フィルターと波長ピーク周期Δλが13nmの波長フィルターとを、導波方向に従属接続した形に集積すれば、図4(a)に示す2つの波長フィルターの透過特性の積として、図4(b)に示す透過特性が得られる。すなわち、図4(b)に示す透過特性は、波長ピーク周期Δλとしてはおよそ26nmであるが、中心波長における線幅としては狭い線幅の透過スペクトルが得られる。これは、波長ピーク周期Δλが26nmの波長フィルターにおける透過ピークによる山又は谷と、波長ピーク周期Δλが13nmの波長フィルターにおける透過ピークによる谷又は山とを合わせて、透過ピークを減少させて、サイドモードを抑圧した結果である。なお、図4(a)において、実線が波長ピーク周期Δλが13nmの波長フィルターの透過特性を示し、破線が波長ピーク周期Δλが26nmの波長フィルターの透過特性を示している。また、図4(a)及び図4(b)において、横軸が波長[nm]であり、縦軸が透過率である。 In the present invention, similarly to the Mach-Zehnder type or ladder type optical filter, a wavelength filter having a wavelength peak period Δλ of 26 nm and a wavelength filter having a wavelength peak period Δλ of 13 nm are connected in a subordinate manner in the waveguide direction. If integrated, the transmission characteristics shown in FIG. 4B are obtained as the product of the transmission characteristics of the two wavelength filters shown in FIG. That is, in the transmission characteristics shown in FIG. 4B, a transmission spectrum having a narrow line width is obtained as the line width at the center wavelength although the wavelength peak period Δλ is approximately 26 nm. This is because the peak or valley due to the transmission peak in the wavelength filter having a wavelength peak period Δλ of 26 nm and the valley or peak due to the transmission peak in the wavelength filter having a wavelength peak period Δλ of 13 nm are combined to reduce the transmission peak, This is the result of suppressing the mode. In FIG. 4A, the solid line indicates the transmission characteristic of the wavelength filter having a wavelength peak period Δλ of 13 nm, and the broken line indicates the transmission characteristic of a wavelength filter having a wavelength peak period Δλ of 26 nm. In FIGS. 4A and 4B, the horizontal axis is the wavelength [nm], and the vertical axis is the transmittance.
しかしながら、このような従属接続を行なう場合には、複数の波長フィルターを導波方向に直列的に接続しなければならず、導波路型光フィルター100の長さが必然的に長くなってしまうという課題があり、導波路型光フィルター100の小型化及び低コスト化という観点からは好ましくない。
However, when performing such a subordinate connection, it is necessary to connect a plurality of wavelength filters in series in the waveguide direction, and the length of the waveguide type
本実施形態に係る導波路型光フィルター100においては、この従来の課題を解決すべく、第1の曲線導波路2b及び第2の曲線導波路2cの導波路長が互いに異なる長さとすることで、複数の波長フィルターを従属接続することなく、図4(b)に示す透過特性を実現し得ることが、発明者の最近の研究結果からわかった。
In the waveguide type
従って、本実施形態に係る導波路型光フィルター100においては、複数の異なる透過スペクトルの積が、導波路型光フィルター100の全長を長くすることなく実現できることになり、波長ピーク周期Δλ及び線幅の自由な設定だけではなく、従来技術では達成が困難であった導波路型光フィルター100の小型化及び低コスト化までをも実現できることになる。
Therefore, in the waveguide type
つぎに、図5及び図6を参照して、本実施形態に係る導波路型光フィルター100の製造方法を説明する。
まず、通常のSOI(Silicon on Insulator)基板30上に、熱CVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法を用いて、SiO2膜40を堆積する(図5(a))。
Next, with reference to FIG. 5 and FIG. 6, a method for manufacturing the waveguide type
First, an SiO 2 film 40 is deposited on a normal SOI (Silicon on Insulator)
そして、ステッパ(縮小投影露光装置)によるフォトリソグラフィ法を用いて、図1(a)に示す、第1の光導波路群1、M×N型マルチモード干渉導波路4、第2の光導波路群2、N×M’型マルチモード干渉導波路5及び第3の光導波路群3の平面形状に合わせて、エッチング用のマスク50を形成する(図5(b))。
Then, by using a photolithography method by a stepper (reduction projection exposure apparatus), the first
このマスク50を用いて、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)法によりドライエッチングを施して、第2のクラッド層13となるSiO2膜40、コア層12となるSOI基板30のSi層、及び第1のクラッド層11となるSOI基板30のSiO2層における不要な部分を除去し、断面形状としてハイメサ構造を形成する(図6(a))。なお、図6(a)においては、エッチングの進行が、SOI基板30の基板層10の表面まで達して一部が除去されており、基板層10にエッチング底面10cを図示している。
この後、第2のクラッド層13の直上にあるマスク50を、有機溶剤及びアッシング法により除去する(図6(b))。
Using this
Thereafter, the
そして、複数の導波路型光フィルター100素子が形成された基板10に対して、導波路型光フィルター100素子間の境界に沿って劈開することで、図1(a)及び図2に示す構造を有する導波路型光フィルター100素子を得ることができる。この劈開により、導波路型光フィルター100素子の後方端面(基板10の一端面10a、入射光導波路1aの入射面)及び前方端面(基板10の他端面10b、出射光導波路3aの出射面)がそれぞれ形成される。
Then, the structure shown in FIGS. 1A and 2 is formed by cleaving the
最後に、前方端面及び後方端面に反射防止膜をそれぞれ形成して、導波路型光フィルター100素子の製造を終了する。なお、図1(b)に示す導波路型光フィルター100の場合には、前方端面(基板10の一端面10a、入射光導波路1aの入射面)に反射防止膜を形成し、後方端面(基板10の他端面10b、第2の光導波路群2の出射面)に高反射膜を形成して、導波路型光フィルター100素子の製造を終了する。
Finally, an antireflection film is formed on each of the front end face and the rear end face, and the manufacture of the waveguide type
なお、本実施形態に係る製造方法においては、フォトリソグラフィ法にステッパを用いているが、必ずしもこれに限られるわけではなく、例えば、電子ビーム露光装置であっても適用可能である。 In the manufacturing method according to the present embodiment, a stepper is used for the photolithography method, but the present invention is not necessarily limited to this. For example, an electron beam exposure apparatus can be applied.
また、本実施形態に係る製造方法においては、SiO2膜40の形成に熱CVD法を用いているが、例えば、プラズマCVD法であっても、スパッタ法であっても適用可能である。 In the manufacturing method according to the present embodiment, the thermal CVD method is used for forming the SiO 2 film 40. However, for example, the plasma CVD method or the sputtering method can be applied.
また、本実施形態に係る製造方法においては、ハイメサ構造の製造工程をICP法に限られるものではなく、例えば、NLD(magnetic neutral loop discharge)法、もしくはRIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング )法であっても適用可能である。 Further, in the manufacturing method according to the present embodiment, the manufacturing process of the high mesa structure is not limited to the ICP method. For example, an NLD (magnetic neutral loop discharge) method or an RIE (Reactive Ion Etching) is used. Even the law is applicable.
さらに、本実施形態に係る製造方法においては、エッチングの進行を基板層10にまで到達させたハイメサ構造としているが、必ずしも基板層10にまでエッチングを施す必要はなく、コア層12となるSOI基板30のSi層がエッチングされていればよく、例えば、メサ構造であってもよい。
Furthermore, in the manufacturing method according to the present embodiment, a high-mesa structure in which the progress of etching reaches the
また、本実施形態に係る製造方法においては、導波路型光フィルター100素子の後方端面及び前方端面の形成は、必ずしも劈開である必要はなく、例えば、導波路型光フィルター100素子を切り出した後に研磨してもよいし、切り出した導波路型光フィルター100素子の後方端面及び前方端面に、コーティング等を施してもよい。
In the manufacturing method according to the present embodiment, the formation of the rear end face and the front end face of the waveguide type
以上のように、本実施形態に係る導波路型光フィルター100は、M×N型マルチモード干渉導波路4及びN×M’型マルチモード干渉導波路5間に、N本(Nは3以上の整数)の光導波路からなる第2の光導波路群2を備え、第2の光導波路群2のうち、一の光導波路の長さが、他の光導波路の長さと異なることにより、波長ピーク周期Δλを自由に設定することができ、ある一定のFSRを有することができるという作用効果を奏する。
As described above, the waveguide type
特に、従来のマッハ・ツェンダ型及びラダー型の光フィルターは、透過光と非透過光との比を大きくする(透過ピークの線幅を狭める)ために、同一の透過特性を有する光フィルターを従属接続(例えば、2段)する必要があった。 In particular, conventional Mach-Zehnder type and ladder type optical filters depend on optical filters having the same transmission characteristics in order to increase the ratio of transmitted light to non-transmitted light (narrow the line width of the transmission peak). It was necessary to connect (for example, two stages).
これに対し、本実施形態に係る導波路型光フィルター100は、第2の光導波路群2を二種以上(例えば、1本の直線導波路2aと、同一の導波路長である2本の第1の曲線導波路2aとのニ種類)の光導波路にすることにより、従来のマッハ・ツェンダ型及びラダー型の光フィルターによる従属接続(例えば、2段)と同様に、透過ピークの線幅を狭めることができる。そのうえ、導波路型光フィルター100は、多段の従属接続が不要であり、構成として比較的単純である光フィルターを実現することができるという作用効果を奏する。
On the other hand, the waveguide type
また、波長域を広い範囲で使うことが想定されるローカルエリア系ネットワークに導波路型光フィルター100を適用する場合に、第2の光導波路群2が、三種以上の異なる長さを有するN本の光導波路からなることにより、異なる帯域フィルターを集積することと同じ作用効果を、光フィルターのサイズを大きくすることなく実現することができるという作用効果を奏する。
Further, when the waveguide type
なお、本実施形態に係る導波路型光フィルター100は、第1の曲線導波路2bの略S字の曲線領域における曲率半径Rを23μmとし、第2の曲線導波路2cの略S字の曲線領域における曲率半径Rを12μmとしているが、所望の導波路長の差Δdが実現できるのであれば、この曲率半径に限られるものではない。
In the waveguide type
また、本実施形態に係る入射光導波路1a及び出射光導波路3aは、直線導波路としているが、必ずしも直線導波路である必要はなく、例えば、テーパー構造等によるスポットサイズ変換機能を直線導波路の一部に持たせ、光ファイバーとの光結合効率を高める構造であってもよい。
また、本実施形態に係る導波路型光フィルター100は、必ずしも従属接続を否定するものではなく、従属接続が併用されていても問題はない。
In addition, although the incident
Moreover, the waveguide type
なお、本実施形態に係る導波路型光フィルター100は、M×N型マルチモード干渉導波路4及びN×M’型マルチモード干渉導波路5として、1×3型マルチモード干渉導波路4a及び3×1型マルチモード干渉導波路5aを例に挙げて説明したが、例えば、図7(b)に示す1×4型マルチモード干渉導波路4及び4×1型マルチモード干渉導波路5や、図7(c)に示す1×5型マルチモード干渉導波路4及び5×1型マルチモード干渉導波路5であってもよい。
The waveguide type
なお、図7(a)に示す導波路型光フィルター100は、1×3型マルチモード干渉導波路4及び3×1型マルチモード干渉導波路5を備え、第2の光導波路群2が、1本の直線導波路2aと、導波路長が同一である2本の第1の曲線導波路2bとから構成され、二種類の異なる長さを有する3本の光導波路からなる。また、図7(b)に示す導波路型光フィルター100は、第2の光導波路群2が、導波路長が同一である2本の直線導波路2aと、導波路長が同一である2本の第1の曲線導波路2bとから構成され、二種類の異なる長さを有する4本の光導波路からなる。また、図7(c)に示す導波路型光フィルター100は、第2の光導波路群2が、1本の直線導波路2aと、導波路長が同一である2本の第1の曲線導波路2bと、導波路長が同一である2本の第2の曲線導波路2cとから構成され、三種類の異なる長さを有する5本の光導波路からなる。
7A includes a 1 × 3 type
図7に示す各導波路型光フィルター100は、図8に示すように、光位相整合領域20の第2の光導波路群2における光導波路の本数を増加させることにより、導波路型光フィルター100によるフィルター効果を増加させることがわかる。なお、図8において、実線が図7(c)に示す導波路型光フィルター100の透過特性を示し、破線が図7(b)に示す導波路型光フィルター100の透過特性を示し、一点鎖線が図7(a)に示す導波路型光フィルター100の透過特性を示す。また、図8において、横軸が波長[nm]であり、縦軸が透過率[%]である。
Each waveguide type
特に、導波路型光フィルター100は、M×N型マルチモード干渉導波路4及びN×M’型マルチモード干渉導波路5を、図9(a)に示す1×9型マルチモード干渉導波路4及び9×1型マルチモード干渉導波路5にすることより、図9(b)及び図9(c)に示すように、副モード抑圧比(Side Mode Suppression Ratio:SMSR=(中心波長に隣り合う山のパワー)/(中心波長における山のパワー))が0.29を達成し、良好な単一モード動作を実現することができる。
In particular, the waveguide type
なお、図9(a)に示す導波路型光フィルター100は、第2の光導波路群2が、1本の直線導波路2aと、導波路長が同一である2本の第1の曲線導波路2bと、導波路長が同一である2本の第2の曲線導波路2cと、導波路長が同一である2本の第3の曲線導波路2dと、導波路長が同一である2本の第4の曲線導波路2eと、から構成され、五種類の異なる長さを有する9本の光導波路からなる。また、図8(b)は、横軸が波長[nm]であり、縦軸が透過率[%]である。また、図8(c)は、横軸が第2の光導波路群2における光導波路の本数N[本]であり、縦軸が副モード抑圧比である。
In the waveguide type
さらに、本実施形態に係る導波路型光フィルター100においては、第1の光導波路群1、第2の光導波路群2、第3の光導波路群3、M×N型マルチモード干渉導波路4及びN×M’型マルチモード干渉導波路5の一部を、PN接合間に活性層を有する層構造にして、アクティブ化することによって光損失の補償も実現できる。すなわち、この層構造では、PN接合間に順バイアスを加えて、正孔と電子が活性層に閉じ込められ、再結合して発光した光により、光導波路を伝播するうちに損失した光を補償することができるという作用効果を奏する。
(本発明の第2の実施形態)
図10(a)は第2の実施形態に係る導波路型光フィルターの概略構成の一例を示す平面図であり、図10(b)は図10(a)に示す導波路型光フィルターの矢視C−C’線の断面図である。図10において、図1乃至図9と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
Furthermore, in the waveguide type
(Second embodiment of the present invention)
FIG. 10A is a plan view showing an example of a schematic configuration of the waveguide type optical filter according to the second embodiment, and FIG. 10B is an arrow of the waveguide type optical filter shown in FIG. It is sectional drawing of a view CC 'line. 10, the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 9 denote the same or corresponding parts, and the description thereof is omitted.
1×1型マルチモード干渉導波路6は、1入力かつ1出力型であるマルチモード干渉導波路である。特に、本実施形態に係る1×1型マルチモード干渉導波路6は、導波路長が120μm程度であり、導波路幅が6.5μm程度である、略矩形状の干渉領域を有する。 The 1 × 1 type multimode interference waveguide 6 is a multimode interference waveguide having one input and one output. In particular, the 1 × 1 type multimode interference waveguide 6 according to this embodiment has a substantially rectangular interference region having a waveguide length of about 120 μm and a waveguide width of about 6.5 μm.
光位相整合領域20aは、第1の実施形態に係る光位相整合領域20における直線導波路2a、第1の曲線導波路2b及び第2の曲線導波路2cの略中央に、1×1型マルチモード干渉導波路6をそれぞれ挿入した領域である。このため、光位相整合領域20aの領域長は、第1の実施形態に係る光位相整合領域20の領域長100μm程度に、1×1型マルチモード干渉導波路6の導波路長120μm程度を加えた220μm程度である。
The optical
なお、直線導波路2a及び第1の曲線導波路2bの略中央にそれぞれ挿入された1×1型マルチモード干渉導波路6は、同一の導波路長であるために、直線導波路2aの導波路長に対する第1の曲線導波路2bの導波路長の差Δd及び波長ピーク周期Δλは、第1の実施形態と同一(Δd=52μm、Δλ=13nm)である。同様に、直線導波路2a及び第2の曲線導波路2cの略中央にそれぞれ挿入された1×1型マルチモード干渉導波路6は、同一の導波路長であるために、直線導波路2aの導波路長に対する第2の曲線導波路2cの導波路長の差Δd及び波長ピーク周期Δλは、第1の実施形態と同一(Δd=26μm、Δλ26nm)である。
The 1 × 1 type multimode interference waveguide 6 inserted approximately at the center of each of the
また、1×1型マルチモード干渉導波路6は、入射光導波路1a、1×3型マルチモード干渉導波路4a、直線導波路2a、第1の曲線導波路2b、第2の曲線導波路2c、3×1型マルチモード干渉導波路5a及び出射光導波路3aと層構造が同一であり、ハイメサ導波路である。すなわち、1×1型マルチモード干渉導波路6の断面構造は、図10(b)に示すように、Si基板を基材とする基板層10上に、SiO2からなる第1のクラッド層11、Siからなるコア層12、及びSiO2からなる第2のクラッド層13が、それぞれ積層されたハイメサ構造である。
The 1 × 1 type multimode interference waveguide 6 includes an incident
なお、第2の実施形態においては、1×1型マルチモード干渉導波路6を備えるところのみが第1の実施形態と異なるところであり、1×1型マルチモード干渉導波路6による作用効果以外は、第1の実施形態と同様の作用効果を奏する。 The second embodiment is different from the first embodiment only in that the 1 × 1 type multimode interference waveguide 6 is provided, except for the operational effects of the 1 × 1 type multimode interference waveguide 6. The same effects as those of the first embodiment are achieved.
本実施形態に係る導波路型光フィルター100においては、1×1型マルチモード干渉導波路6により、中心波長以外の波長成分を更にカットするため、特に、ローカルエリア系ネットワークへの適用を考えた場合(例えば、1.3μm帯と1.55μm帯と大きく波長の離れた波長間で互いにフィルタリングが必要である)に、クロストークの抑制効果が更に大きくなるという作用効果を奏する。
In the waveguide type
(本発明の第3の実施形態)
図11(a)は第3の実施形態に係る半導体レーザーの概略構成の一例を示す平面図であり、図11(b)は第3の実施形態に係る半導体レーザーの概略構成の他の例を示す平面図である。図12(a)は図11に示す半導体レーザーの矢視D−D’線の断面図であり、図12(b)は図11に示す半導体レーザーの矢視E−E’線の断面図である。図13は第3の実施形態に係る半導体レーザーの製造方法を説明する説明図であり、図13(a)は図11に示す半導体レーザーの矢視D−D’線の断面図に対応するMOVPE法により結晶構造を製作した状態の断面図であり、図13(b)は図11に示す半導体レーザーの矢視D−D’線の断面図に対応するマスクを形成した状態の断面図である。図14は第3の実施形態に係る半導体レーザーの製造方法を説明する説明図であり、図14(a)は図11に示す半導体レーザーの矢視D−D’線の断面図に対応するエッチングによりハイメサ構造を形成した状態の断面図であり、図14(b)は図11に示す半導体レーザーの矢視D−D’線の断面図に対応するBCBで埋め込んだ状態の断面図である。
(Third embodiment of the present invention)
FIG. 11A is a plan view showing an example of a schematic configuration of the semiconductor laser according to the third embodiment, and FIG. 11B is another example of the schematic configuration of the semiconductor laser according to the third embodiment. FIG. 12A is a cross-sectional view taken along the line DD ′ of the semiconductor laser shown in FIG. 11, and FIG. 12B is a cross-sectional view taken along the line EE ′ of the semiconductor laser shown in FIG. is there. FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining a method of manufacturing a semiconductor laser according to the third embodiment, and FIG. 13A is a MOVPE corresponding to a cross-sectional view taken along the line DD ′ of the semiconductor laser shown in FIG. FIG. 13B is a cross-sectional view in a state in which a mask corresponding to the cross-sectional view taken along the line DD ′ of the semiconductor laser shown in FIG. 11 is formed. . FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining a method of manufacturing a semiconductor laser according to the third embodiment, and FIG. 14A is an etching corresponding to a cross-sectional view taken along the line DD ′ of the semiconductor laser shown in FIG. 14B is a cross-sectional view in a state in which a high mesa structure is formed, and FIG. 14B is a cross-sectional view in a state embedded in BCB corresponding to the cross-sectional view taken along the line DD ′ of the semiconductor laser shown in FIG.
半導体レーザー200は、基板210上に、光導波路及びマルチモード干渉導波路が配設され、内部のPN接合間に順バイアスを加えて、正孔と電子が活性層に閉じ込められ、再結合して発光した光を分岐し、光の位相を整合させたうえで、光を合波して外部に出射する。このため、半導体レーザー200は、基板210の一端面210a側において発光した光に対して、基板210の一端面210aに対向する他端面210b側における光導波路の端面を出射面とする場合に、分波用及び合波用のマルチモード干渉導波路をそれぞれ備える必要がある。この場合には、半導体レーザー200は、後述する、第1の光導波路群201、第2の光導波路群202、第3の光導波路群203、M×N型マルチモード干渉導波路204及びN×M’型マルチモード干渉導波路205を少なくとも備える(例えば、図11(b)参照)。
In the
また、半導体レーザー200は、基板210の一端面210a側において発光した光に対して、基板210の他端面210b側における光導波路の端面を反射面とし、基板210の一端面210a側における光導波路の端面を出射面とする場合に、分波及び合波を兼用するマルチモード干渉導波路を備えればよい。この場合には、半導体レーザー200は、第1の光導波路群201及び第2の光導波路群202及びM×N型マルチモード干渉導波路204を少なくとも備える(例えば、図11(a)参照)。
Further, the
なお、本実施形態においては、基板210の一端面210a側において発光した光に対して、基板210の他端面210b側における光導波路の端面を反射面とし、基板210の一端面210a側における光導波路の端面を出射面とする場合を例に挙げて説明するが、基板210の一端面210a側において発光した光に対して、基板210の他端面210b側における光導波路の端面を出射面とする半導体レーザー200であってもよい。
In this embodiment, for the light emitted on the one
本実施形態に係る半導体レーザー200は、図11(a)に示すように、基板210上に、第1の光導波路群201と、M×N型マルチモード干渉導波路204と、光位相整合領域220及び光導波路領域221としての第2の光導波路群202とが集積されている。特に、本実施形態に係る半導体レーザー200は、基板210の一端面210aと他端面210bとの間で、第1の光導波路群101、M×N型マルチモード干渉導波路204及び第2の光導波路群202により、共振器が構成されている。
As shown in FIG. 11A, the
M×N型マルチモード干渉導波路204は、M(Mは1以上の整数)入力かつN(Nは3以上の整数)出力型であるマルチモード干渉導波路である。なお、本実施形態においては、Mを1とし、Nを3とする1×3型マルチモード干渉導波路204aを例に挙げて説明するが、この1×3型マルチモード干渉導波路204aに限られるものではない。特に、本実施形態に係る1×3型マルチモード干渉導波路204aは、光の導波方向に沿った導波路の長さ(以下、導波路長と称す)が280μm程度であり、導波路幅が20μm程度である、略矩形状の干渉領域を有する。
The M × N type
なお、マルチモード干渉導波路は、公知の技術を用いて設計できるのであるが、例えば、MMI理論に基づいて、M×N型マルチモード干渉導波路204を、第1の実施形態において前述したように設計することができる。
The multimode interference waveguide can be designed using a known technique. For example, based on the MMI theory, the M × N type
第1の光導波路群201は、M×N型マルチモード干渉導波路204の入力側の各ポート(以下、入力ポートと称す)に一端がそれぞれ接続されるM本の光導波路からなり、第1の光導波路群201の各光導波路は、シングルモード導波路である。また、第1の光導波路群201は、各光導波路の他端を出射面とする。
The first
なお、本実施形態においては、1×3型マルチモード干渉導波路204aを例に挙げて説明するために、第1の光導波路群201は、1本の光導波路201aからなる。特に、本実施形態に係る光導波路201aは、導波路長が50μm程度であり、導波路幅が2.0μm程度である、直線領域のみからなる直線導波路である。また、光導波路201aは、M×N型マルチモード干渉導波路204の入力側の辺に対して略中央に接続されている。
In the present embodiment, the first
第2の光導波路群202は、M×N型マルチモード干渉導波路204の出力側の各ポート(以下、出力ポートと称す)に一端がそれぞれ接続され、三種以上の異なる長さを有するN本の光導波路からなる。また、第2の光導波路群202は、各光導波路の他端を反射面とする。
The second
なお、本実施形態においては、1×3型マルチモード干渉導波路204aを例に挙げて説明するために、第2の光導波路群202は、3本の光導波路からなる。
また、第2の光導波路群202は、光位相整合領域220及び光導波路領域221に領域分けでき、直線領域のみからなる直線導波路202aと、直線領域及び曲線領域からなる曲線導波路(第1の曲線導波路202b、第2の曲線導波路202c)とから構成される。また、第2の光導波路群202は、各光導波路がシングルモード導波路であり、各光導波路の導波路長を互いに異ならせている。
In the present embodiment, the second
The second
また、第2の光導波路群202は、直線導波路202aと曲線導波路(第1の曲線導波路202b、第2の曲線導波路202c)とから構成されているが、三種以上の異なる長さを有する3本の光導波路から構成されるのであれば、直線導波路及び曲線導波路の組合せに限られるものではなく、例えば、光位相整合領域220における直線導波路202aを曲線導波路で形成し、光位相整合領域220における3本の光導波路を全て曲線導波路で構成してもよい。特に、光位相整合領域220における直線導波路202aに対して導波路長を同じくする曲線導波路に変更した場合には、光位相整合領域220の長さが短くなり、半導体レーザー200素子の全長を短くすることができる。また、第2の光導波路群202は、光位相整合領域220における曲線導波路の替わりに、屈曲領域を含む光導波路であってもよいが、屈曲領域における伝播光の放射による光の伝播ロスが生じるために、曲線導波路にすることが好ましい。
The second
第2の光導波路群202は、図11(a)に示すように、1×3型マルチモード干渉導波路204a及び基板110の他端面210b間に、直線導波路202a、第1の曲線導波路202b及び第2の曲線導波路202cが並設され、直線導波路202aを基準として、第1の曲線導波路202b及び第2の曲線導波路202cが直線導波路202aの両側にそれぞれ配設される。
As shown in FIG. 11A, the second
直線導波路202aは、1×3型マルチモード干渉導波路204aを介して、光導波路201aに対向する位置に配設される。特に、光位相整合領域220が領域長として50μm程度であり、光導波路領域221が領域長として50μm程度であるために、光位相整合領域220及び光導波路領域221の領域長に一致する直線導波路202aは、導波路長が100μm程度であり、導波路幅が2.0μm程度である。
The
第1の曲線導波路202bは、第1の実施形態において前述した数5に基づき、半導体レーザー200からの透過光の繰り返しピークの間隔(以下、波長ピーク周期と称す)Δλがおよそ13nmとなるように、第1の実施形態において前述した数4に基づき、直線導波路202aの導波路長に対する第1の曲線導波路202bの導波路長の差Δdがおよそ26μm(往復でおよそ52μm)だけ直線導波路202aよりもその長さが長くなるように設定されている。
In the first
このため、光位相整合領域220における第1の曲線導波路202bは、図11(a)に示すように、曲率半径Rがおよそ23μmである略S字の曲線領域を光位相整合領域220の光導波路領域221側に有し、その前(1×3型マルチモード干渉導波路204a側)におよそ4μm程度の長さの直線領域が配置された構成の光導波路である。
For this reason, the first
第2の曲線導波路202cは、第1の曲線導波路202bと同様に、第1の実施形態において前述した数5に基づき、波長ピーク周期Δλがおよそ26nmとなるように、第1の実施形態において前述した数4に基づき、直線導波路202aの導波路長に対する第2の曲線導波路202cの導波路長の差Δdがおよそ13.5μm(往復でおよそ27μm)だけ直線導波路202aよりもその長さが長くなるように設定されている。
Similarly to the first
このため、光位相整合領域220における第2の曲線導波路202cは、図11(a)に示すように、曲率半径Rがおよそ12μmである略S字の曲線領域を光位相整合領域220の光導波路領域221側に有し、その前(1×3型マルチモード干渉導波路204a側)におよそ26μm程度の長さの直線領域が配置された構成の光導波路である。
For this reason, as shown in FIG. 11A, the second
光導波路領域221における直線導波路202a、第1の曲線導波路202b及び第2の曲線導波路202cは、導波路長が50μm程度であり、導波路幅が2.0μm程度である、直線領域のみからなる直線導波路である。
The
なお、光導波路201a、1×3型マルチモード干渉導波路204a、直線導波路202a、第1の曲線導波路202b及び第2の曲線導波路202cは、層構造が同一であり、ハイメサ導波路である。
The
また、これらの断面構造は、図12に示すように、n−InP基板を基材とする基板層210上に、n型半導体であるn−InPからなるバッファ層211、長波長帯(1.55μm帯)の半導体レーザーを実現する活性層となるInGaAsP/InGaAsPからなる発光層212、真性半導体であるi−InPからなる第1のクラッド層213、p型半導体であるp−InPからなる第2のクラッド層214、p型半導体であるp−InGaAsからなるコンタクト層215が、それぞれ積層されたハイメサ構造である。また、ハイメサ構造に対しては、低誘電率有機膜であるBCB(benzocyclobutene:ベンゾシクロブテン)を非導波領域に埋め込み、埋め込み層216が形成される。
Further, as shown in FIG. 12, these cross-sectional structures include a
このハイメサ構造は、図12に示すように、非導波領域(BCBを埋め込む領域)において、コンタクト層215、第2のクラッド層214、第1のクラッド層213、発光層212及びバッファ層211と共に、基板層210の一部がエッチングにより除去された構造である。
As shown in FIG. 12, this high mesa structure has a
なお、発光層212は、SCH(Separate Confinement Hetero-structure:分離閉じ込めヘテロ構造)と多重量子井戸(Multi-Quantum Well:MQW)とからなる通常の発光層である。
The light-emitting
特に、本実施形態においては、バッファ層211の膜厚は100nm程度であり、発光層212の膜厚は100nm程度であり、第1のクラッド層213の膜厚は100nm程度であり、第2のクラッド層214の膜厚は900nm程度であり、コンタクト層215の膜厚は150nm程度である。
In particular, in this embodiment, the thickness of the
つぎに、図12乃至図14を参照して、本実施形態に係る半導体レーザー200の製造方法を説明する。
まず、通常のn−InP基板210上に、MOVPE(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy:有機金属気相成長)法を用いて、n−InP膜230、InGaAsP/InGaAsP−1.55μm帯膜240、i−InP膜250、p−InP膜260、p−InGaAs膜270を順番に堆積し、積層を形成する(図13(a))。
Next, a method for manufacturing the
First, an n-
そして、ステッパ(縮小投影露光装置)による通常のフォトリソグラフィ法を用いて、図11(a)に示す、第1の光導波路群201、M×N型マルチモード干渉導波路204、第2の光導波路群202の平面形状に合わせて、p−InGaAs膜270上にエッチング用のマスク280を形成する(図13(b))。
Then, using a normal photolithography method by a stepper (reduction projection exposure apparatus), the first
このマスク280を用いて、RIE(反応性イオンエッチング )法によりドライエッチングを施して、コンタクト層215となるp−InGaAs膜270、第2のクラッド層214となるp−InP膜260、第1のクラッド層213となるi−InP膜250、発光層212となるInGaAsP/InGaAsP−1.55μm帯膜240、バッファ層211となるn−InP膜230における不要な部分を部分的(マスクが形成されていない部分のみ)に除去し、断面形状としてハイメサ構造を形成する(図14(a))。なお、図14(a)においては、エッチングの進行が、基板210の表面まで達して一部が除去されており、基板210にエッチング底面210cを図示している。
Using this
この後、エッチングで除去した部分をBCBで埋め込んで埋め込み層216を形成し(図14(b))、コンタクト層215の直上にあるマスク280を、有機溶剤及びアッシング法により除去する(図12)。
Thereafter, the portion removed by etching is buried with BCB to form a buried layer 216 (FIG. 14B), and the
そして、PN接合間に順バイアスを加えるための外部電極となる図示しないTi/Pt/Au層を、コンタクト層215上に電子ビーム蒸着法で形成する。なお、Ti/Pt/Au層は、コンタクト層215上のみに選択的に形成してもよいし、コンタクト層215及び埋め込み層216上の基板210全面に形成してもよい。しかしながら、コンタクト層215上のみに選択的にTi/Pt/Au層を形成する場合には、パターニングを行なう製造工程が増加するために、コンタクト層215及び埋め込み層216上の基板210全面にTi/Pt/Au層を形成するのが好ましい。
Then, a Ti / Pt / Au layer (not shown) serving as an external electrode for applying a forward bias between the PN junctions is formed on the
その後、光導波路が形成されていない基板210の裏面を研磨して、PN接合間に順バイアスを加えるための外部電極となる図示しないTi/Pt/Au層を、基板210の裏面全面に電子ビーム蒸着法で形成する。
Thereafter, the back surface of the
そして、複数の半導体レーザー200素子が形成された基板210に対して、半導体レーザー200素子間の境界に沿って劈開することで、図11(a)及び図12に示す構造を有する半導体レーザー200素子を得ることができる。この劈開により、半導体レーザー200素子の前方端面(基板210の一端面210a、光導波路201aの出射面)及び後方端面(基板210の他端面210b、第2の光導波路群2の反射面)がそれぞれ形成される。
Then, the
最後に、前方端面に反射防止膜を形成し、後方端面に高反射膜を形成して、半導体レーザー200素子の製造を終了する。なお、図11(b)に示す半導体レーザー200の場合には、後方端面(基板210の一端面210a、光導波路201aの反射面)及び前方端面(基板210の他端面210b、第2の光導波路群2の出射面)に反射防止膜をそれぞれ形成して、半導体レーザー200素子の製造を終了する。
Finally, an antireflection film is formed on the front end face, and a high reflection film is formed on the rear end face, and the manufacture of the
なお、本実施形態に係る製造方法においては、結晶成長方法としてMOVPE法を用いているが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、MBE(Molecular Beam Epitaxy:分子線エピタキシー)法であっても適用可能である。 In the manufacturing method according to the present embodiment, the MOVPE method is used as the crystal growth method. However, the method is not necessarily limited to this. For example, the MBE (Molecular Beam Epitaxy) method may be used. Applicable.
また、本実施形態に係る製造方法においては、エッチング方法としてRIE法を用いているが、ICP法やウェットエッチング法であっても適用可能である。
また、本実施形態に係る製造方法においては、フォトリソグラフィ法にステッパを用いているが、必ずしもこれに限られるわけではなく、例えば、電子ビーム露光装置であっても適用可能である。
In the manufacturing method according to the present embodiment, the RIE method is used as an etching method, but an ICP method or a wet etching method is also applicable.
Further, in the manufacturing method according to the present embodiment, a stepper is used for the photolithography method, but the present invention is not necessarily limited thereto, and for example, an electron beam exposure apparatus can be applied.
また、本実施形態に係る製造方法においては、半導体レーザー200素子の後方端面及び前方端面の形成は、必ずしも劈開である必要はなく、例えば、半導体レーザー200素子を切り出した後に研磨してもよいし、切り出した半導体レーザー200素子の後方端面及び前方端面に、コーティング等を施してもよい。
Further, in the manufacturing method according to the present embodiment, the formation of the rear end face and the front end face of the
なお、第3の実施形態においては、半導体レーザー200であり、層構造が異なるところのみが第1の実施形態及び第2の実施形態と異なるところであり、半導体レーザー200による作用効果以外は、第1の実施形態及び第2の実施形態と同様の作用効果を奏する。
In the third embodiment, the
本実施形態に係る半導体レーザー200は、1×3型マルチモード干渉導波路204内を伝搬する全ての高次モード光が3分岐されると共にシングルモード光に変換される。変換されたシングルモード光は、光位相整合領域220を通過した後に、光導波路領域221を経て、基板210の他端面210b側の第2の光導波路群202の端面で反射する。反射されたシングルモード光は、更に、光導波路領域221及び光位相整合領域220を経た後に、1×3型マルチモード干渉導波路204内を伝搬し、レーザー光として基板210の一端面210a側の光導波路201aの端面から出力される。
In the
また、本実施形態に係る半導体レーザー200においては、光位相整合領域220が1×3型マルチモード干渉導波路204aの3出力側に設けられることにより、出力光の位相を整合させることができる。
Further, in the
特に、本実施例に係る半導体レーザー200においては、第1の実施形態(図1(a)の場合)とは異なり、光位相整合領域220が第1の実施形態に係る光位相整合領域20のおよそ半分程度となっており、かつ、3×1型マルチモード干渉導波路5aが存在しない。
In particular, in the
この構成は、基板210の他端面210b側にある第2の光導波路群2の端面を反射鏡として存在させ、この第2の光導波路群2の端面で光が折り返され、1×3型マルチモード干渉導波路204aの3出力側に入力させるためである。
In this configuration, the end face of the second
すなわち、本実施例に係る1×3型マルチモード干渉導波路204aは、第1の実施形態における3×1型マルチモード干渉導波路5aの役割も担い、半導体レーザー200の素子長を無用に長くする必要がない。
That is, the 1 × 3 type
以上のように、本実施形態に係る半導体レーザー200においては、第1の実施形態と同様の光フィルター性能が実現できると共に、グレーティングを有していないにも関わらず、単一波長を選択する機構を内包することになり、単一波長による発振が得られるという作用効果を奏する。特に、本実施形態に係る半導体レーザー200においては、グレーティングを利用したDFB−LD(distributed-feedback laser diode:分布帰還型半導体レーザー)等の従来の半導体レーザーと比較して、製造工程が簡素化でき、低コストの光源を実現することができるという作用効果を奏する。
As described above, in the
(本発明の第4の実施形態)
図15(a)は第4の実施形態に係る半導体レーザーの概略構成の一例を示す平面図であり、図15(b)は図15(a)に示す半導体レーザーの矢視F−F’線の断面図である。図15において、図1乃至図14と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
(Fourth embodiment of the present invention)
FIG. 15A is a plan view showing an example of a schematic configuration of the semiconductor laser according to the fourth embodiment, and FIG. 15B is an arrow FF ′ line of the semiconductor laser shown in FIG. FIG. 15, the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 14 denote the same or corresponding parts, and the description thereof will be omitted.
電気的分離溝207は、第1の光導波路群201のうち少なくとも1本の光導波路の長さ方向を横断するように、コンタクト層215の一部を除去することで形成される。なお、本実施形態に係る電気的分離溝207は、1×3型マルチモード干渉導波路204aの入力ポートから基板210の一端面210a側にかけて、長さ4μm程度で光導波路201aに配設する。また、電気的分離溝207は、光導波路201aに独立して変調信号を加えることのできる領域である。
The
つぎに、図15(b)を参照して、本実施形態に係る半導体レーザー200の製造方法を説明する。
なお、本実施形態に係る半導体レーザー200の製造方法は、埋め込み層216を形成し(図14(b))、コンタクト層215の直上にあるマスク280を、有機溶剤及びアッシング法により除去する(図12)までは、第3の実施形態に係る半導体レーザー200の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
Next, a method for manufacturing the
In the manufacturing method of the
マスク280を除去して露出したコンタクト層215における、電気的分離溝207となる領域を、ウェットエッチング法により除去し、電気的分離溝207を形成する(図15(b))。
そして、PN接合間に順バイアスを加えるための外部電極となる図示しないTi/Pt/Au層を、コンタクト層215上に電子ビーム蒸着法で形成する。
A region to be the
Then, a Ti / Pt / Au layer (not shown) serving as an external electrode for applying a forward bias between the PN junctions is formed on the
その後、光導波路が形成されていない基板210の裏面を研磨して、PN接合間に順バイアスを加えるための外部電極となる図示しないTi/Pt/Au層を、基板210の裏面全面に電子ビーム蒸着法で形成する。
Thereafter, the back surface of the
そして、複数の半導体レーザー200素子が形成された基板210に対して、半導体レーザー200素子間の境界に沿って劈開することで、図15に示す構造を有する半導体レーザー200素子を得ることができる。
最後に、前方端面に反射防止膜を形成し、後方端面に高反射膜を形成して、半導体レーザー200素子の製造を終了する。
Then, by cleaving the
Finally, an antireflection film is formed on the front end face, and a high reflection film is formed on the rear end face, and the manufacture of the
なお、第4の実施形態においては、電気的分離溝207を形成するところのみが第3の実施形態と異なるところであり、電気的分離溝207による作用効果以外は、第3の実施形態と同様の作用効果を奏する。
Note that the fourth embodiment is different from the third embodiment only in that the
本実施形態に係る半導体レーザー200は、光導波路201aが50μm程度の短い長さで電気的に分離され、この電気的分離溝207のみに変調信号を加えることのできる構造であるために、実質的には困難な数十μm程度の短キャビティと同等の緩和振動周波数へと飛躍的に高めることが可能となり、高速かつ直接変調が可能な光源を実現することができるという作用効果を奏する。
The
1 第1の光導波路群
1a 入射光導波路
2 第2の光導波路群
2a 直線導波路
2b 第1の曲線導波路
2c 第2の曲線導波路
2d 第3の曲線導波路
2e 第4の曲線導波路
3 第3の光導波路群
3a 出射光導波路
4 M×N型マルチモード干渉導波路
4a 1×3型マルチモード干渉導波路
5 N×M’型マルチモード干渉導波路
5a 3×1型マルチモード干渉導波路
6 1×1型マルチモード干渉導波路
10 基板,基板層
10a 一端面
10b 他端面
10c エッチング底面
11 第1のクラッド層
12 コア層
13 第2のクラッド層
20 光位相整合領域
20a 光位相整合領域
30 SOI基板
40 SiO2膜
50 マスク
100 導波路型光フィルター
101 第1の光導波路群
110 基板
200 半導体レーザー
201 第1の光導波路群
201a 光導波路
202 第2の光導波路群
202a 直線導波路
202b 第1の曲線導波路
202c 第2の曲線導波路
203 第3の光導波路群
204 M×N型マルチモード干渉導波路
204a 1×3型マルチモード干渉導波路
205 N×M’型マルチモード干渉導波路
207 電気的分離溝
210 基板,基板層
210a 一端面
210b 他端面
210c エッチング底面
211 バッファ層
212 発光層
213 第1のクラッド層
214 第2のクラッド層
215 コンタクト層
216 埋め込み層
220 光位相整合領域
221 光導波路領域
230 n−InP膜
250 i−InP膜
260 p−InP膜
270 p−InGaAs膜
280 マスク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st optical waveguide group 1a Incident optical waveguide 2 2nd optical waveguide group 2a Linear waveguide 2b 1st curved waveguide 2c 2nd curved waveguide 2d 3rd curved waveguide 2e 4th curved waveguide 3 3rd optical waveguide group 3a Output optical waveguide 4 M × N type multimode interference waveguide 4a 1 × 3 type multimode interference waveguide 5 N × M ′ type multimode interference waveguide 5a 3 × 1 type multimode interference Waveguide 6 1 × 1 type multimode interference waveguide 10 Substrate, substrate layer 10a One end surface 10b The other end surface 10c Etching bottom surface 11 First cladding layer 12 Core layer 13 Second cladding layer 20 Optical phase matching region 20a Optical phase matching region 20a Region 30 SOI substrate 40 SiO 2 film 50 Mask 100 Waveguide type optical filter 101 First optical waveguide group 110 Substrate 200 Semiconductor laser 201 First optical waveguide Group 201a optical waveguide 202 second optical waveguide group 202a linear waveguide 202b first curved waveguide 202c second curved waveguide 203 third optical waveguide group 204 M × N-type multimode interference waveguide 204a 1 × 3 Type multimode interference waveguide 205 N × M ′ type multimode interference waveguide 207 Electrical separation groove 210 Substrate, substrate layer 210a One end surface 210b The other end surface 210c Etching bottom surface 211 Buffer layer 212 Light emitting layer 213 First cladding layer 214 First 2 Cladding layer 215 Contact layer 216 Buried layer 220 Optical phase matching region 221 Optical waveguide region 230 n-InP film 250 i-InP film 260 p-InP film 270 p-InGaAs film 280 Mask
Claims (8)
前記1×N型マルチモード干渉導波路の入力側のポートに一端が接続される1本の光導波路からなる第1の光導波路群と、
前記1×N型マルチモード干渉導波路の出力側の各ポートに一端がそれぞれ接続され、三種以上の異なる導波路長を有するN本の光導波路からなる第2の光導波路群と、
を備え、
前記第1の光導波路群の1本の光導波路の他端を入射面及び出射面とし、
前記第2の光導波路群の各光導波路の他端を反射面とし、
前記第2の光導波路群のうち、一の光導波路の導波路長が、二種以上の異なる導波路長を有する複数本の他の光導波路の導波路長と異なり、
前記第2の光導波路群の一の光導波路の導波路長に対する、前記第2の光導波路群の複数本の他の導波路の各導波路長の差に基づく、前記出射面からの透過光の繰り返しピークの間隔である波長ピーク周期Δλが、複数存在し、
下記式1を満たす各整数をmとし、前記第2の光導波路群の一の光導波路の導波路長に対する、前記第2の光導波路群の複数本の他の光導波路の各導波路長との差をΔd/2とすると、下記式2を満たすことを特徴とする導波路型光フィルター。
[式1]
m=λ0/Δλ
(但し、λ0:入射光波長、Δλ:波長ピーク周期)
[式2]
Δd=λ0(Φ0+2π(m−1))/2πneq
(但し、neq:第2の光導波路群の光導波路の等価屈折率、Φ0:初期整合位相) A 1 × N type multimode interference waveguide having one input and N (N is an integer of 3 or more) output;
A first optical waveguide group consisting of one optical waveguide having one end connected to the input side port of the 1 × N type multimode interference waveguide;
The 1 × one for each port on the N-type multi-mode interference waveguide on the output side are connected, respectively, and the second optical waveguide group consisting of N optical waveguides that have a different waveguide lengths three or more kinds,
With
The other end of one optical waveguide of the first optical waveguide group is an entrance surface and an exit surface,
The other end of each optical waveguide of the second optical waveguide group is a reflection surface,
Of the second optical waveguide group, the waveguide length of one optical waveguide is different from the waveguide length of the other optical waveguide a plurality of which have different waveguide lengths two or more,
Transmitted light from the exit surface based on a difference in each waveguide length of a plurality of other waveguides of the second optical waveguide group with respect to a waveguide length of one optical waveguide of the second optical waveguide group There are a plurality of wavelength peak periods Δλ that are intervals between the repeated peaks of
Each integer satisfying the following equation 1 and m, for waveguide length of one optical waveguide of the second optical waveguide group, each waveguide length of another optical waveguide of the plurality of the second optical waveguide group A waveguide type optical filter satisfying the following expression 2 where Δd / 2 is the difference between the two.
[Formula 1]
m = λ 0 / Δλ
(Where λ 0 is the incident light wavelength, Δλ is the wavelength peak period)
[Formula 2]
Δd = λ 0 (Φ 0 + 2π (m−1)) / 2πn eq
(Where n eq is the equivalent refractive index of the optical waveguide of the second optical waveguide group, Φ 0 is the initial matching phase)
前記1×N型マルチモード干渉導波路の入力側のポートに一端が接続される1本の光導波路からなる第1の光導波路群と、
前記1×N型マルチモード干渉導波路の出力側の各ポートに一端がそれぞれ接続され、三種以上の異なる導波路長を有するN本の光導波路からなる第2の光導波路群と、
前記第2の光導波路群の各光導波路の他端が入力側の各ポートにそれぞれ接続されるN(Nは3以上の整数)入力かつ1出力型であるN×1型マルチモード干渉導波路と、
前記N×1型マルチモード干渉導波路の出力側のポートに一端が接続され、他端を出射面とする1本の光導波路からなる第3の光導波路群と、
を備え、
前記第1の光導波路群の1本の光導波路の他端を入射面とし、
前記第2の光導波路群のうち、一の光導波路の導波路長が、二種以上の異なる導波路長を有する複数本の他の光導波路の導波路長と異なり、
前記第2の光導波路群の一の光導波路の導波路長に対する、前記第2の光導波路群の複数本の他の導波路の各導波路長の差に基づく、前記出射面からの透過光の繰り返しピークの間隔である波長ピーク周期Δλが、複数存在し、
下記式3を満たす各整数をmとし、前記第2の光導波路群の一の光導波路の導波路長に対する、前記第2の光導波路群の複数本の他の光導波路の各導波路長との差をΔdとすると、下記式4を満たすことを特徴とする光導波型フィルター。
[式3]
m=λ0/Δλ
(但し、λ0:入射光波長、Δλ:波長ピーク周期)
[式4]
Δd=λ0(Φ0+2π(m−1))/2πneq
(但し、neq:第2の光導波路群の光導波路の等価屈折率、Φ0:初期整合位相) A 1 × N type multimode interference waveguide having one input and N (N is an integer of 3 or more) output;
A first optical waveguide group consisting of one optical waveguide having one end connected to the input side port of the 1 × N type multimode interference waveguide;
The 1 × one for each port on the N-type multi-mode interference waveguide on the output side are connected, respectively, and the second optical waveguide group consisting of N optical waveguides that have a different waveguide lengths three or more kinds,
N × 1 type multimode interference waveguide of N (N is an integer greater than or equal to 3) input and 1 output type, the other end of each optical waveguide of the second optical waveguide group being connected to each port on the input side When,
A third optical waveguide group consisting of one optical waveguide having one end connected to the output side port of the N × 1 type multimode interference waveguide and the other end as an exit surface;
With
The other end of one optical waveguide of the first optical waveguide group is an incident surface,
Of the second optical waveguide group, the waveguide length of one optical waveguide is different from the waveguide length of the other optical waveguide a plurality of which have different waveguide lengths two or more,
Transmitted light from the exit surface based on a difference in each waveguide length of a plurality of other waveguides of the second optical waveguide group with respect to a waveguide length of one optical waveguide of the second optical waveguide group There are a plurality of wavelength peak periods Δλ that are intervals between the repeated peaks of
Each integer satisfying the following equation 3 and m, for waveguide length of one optical waveguide of the second optical waveguide group, each waveguide length of another optical waveguide of the plurality of the second optical waveguide group An optical waveguide filter satisfying the following formula 4 where Δd is Δd.
[Formula 3]
m = λ 0 / Δλ
(Where λ 0 is the incident light wavelength, Δλ is the wavelength peak period)
[Formula 4]
Δd = λ 0 (Φ 0 + 2π (m−1)) / 2πn eq
(Where n eq is the equivalent refractive index of the optical waveguide of the second optical waveguide group, Φ 0 is the initial matching phase)
前記第2の光導波路群の一の光導波路及び/又は他の光導波路が、曲線領域を含む曲線導波路であることを特徴とする導波路型光フィルター。 In the waveguide type optical filter according to claim 1 or 2,
A waveguide type optical filter, wherein one optical waveguide and / or another optical waveguide of the second optical waveguide group is a curved waveguide including a curved region .
前記1×N型マルチモード干渉導波路の入力側のポートに一端が接続される1本の光導波路からなる第1の光導波路群と、 A first optical waveguide group consisting of one optical waveguide having one end connected to the input side port of the 1 × N type multimode interference waveguide;
前記1×N型マルチモード干渉導波路の出力側の各ポートに一端がそれぞれ接続され、三種以上の異なる導波路長を有するN本の光導波路からなる第2の光導波路群と、 A second optical waveguide group consisting of N optical waveguides each having one end connected to each port on the output side of the 1 × N type multimode interference waveguide and having three or more different waveguide lengths;
を備え、 With
前記第1の光導波路群の1本の光導波路の他端を出射面とし、 The other end of one optical waveguide of the first optical waveguide group is an emission surface,
前記第2の光導波路群の各光導波路の他端を反射面とし、 The other end of each optical waveguide of the second optical waveguide group is a reflection surface,
前記1×N型マルチモード干渉導波路、第1の光導波路群及び第2の光導波路群が、活性層を有する層構造であり、 The 1 × N type multimode interference waveguide, the first optical waveguide group, and the second optical waveguide group have a layer structure having an active layer,
前記第2の光導波路群のうち、一の光導波路の導波路長が、二種以上の異なる導波路長を有する複数本の他の光導波路の導波路長と異なり、 Of the second optical waveguide group, the waveguide length of one optical waveguide is different from the waveguide lengths of a plurality of other optical waveguides having two or more different waveguide lengths,
前記第2の光導波路群の一の光導波路の導波路長に対する、前記第2の光導波路群の複数本の他の導波路の各導波路長の差に基づく、前記出射面からの透過光の繰り返しピークの間隔である波長ピーク周期Δλが、複数存在し、 Transmitted light from the exit surface based on a difference in each waveguide length of a plurality of other waveguides of the second optical waveguide group with respect to a waveguide length of one optical waveguide of the second optical waveguide group There are a plurality of wavelength peak periods Δλ that are intervals between the repeated peaks of
下記式5を満たす各整数をmとし、前記第2の光導波路群の一の光導波路の導波路長に対する、前記第2の光導波路群の複数本の他の光導波路の各導波路長との差をΔd/2とすると、下記式6を満たすことを特徴とする半導体レーザー。 Each integer satisfying the following equation 5 is m, and the waveguide lengths of a plurality of other optical waveguides of the second optical waveguide group with respect to the waveguide length of one optical waveguide of the second optical waveguide group; A semiconductor laser characterized by satisfying the following formula 6, where Δd / 2 is the difference between the two.
[式5][Formula 5]
m=λm = λ 00 /Δλ/ Δλ
(但し、λ(However, λ 00 :入射光波長、Δλ:波長ピーク周期): Incident light wavelength, Δλ: wavelength peak period)
[式6][Formula 6]
Δd=λΔd = λ 00 (Φ(Φ 00 +2π(m−1))/2πn+ 2π (m−1)) / 2πn eqeq
(但し、n(However, n eqeq :第2の光導波路群の光導波路の等価屈折率、Φ: Equivalent refractive index of the optical waveguide of the second optical waveguide group, Φ 00 :初期整合位相): Initial matching phase)
前記第1の光導波路群の光導波路が、外部電極に接続するコンタクト層を有しており、 The optical waveguide of the first optical waveguide group has a contact layer connected to an external electrode;
前記第1の光導波路群の1本の光導波路の長さ方向を横断するように、前記コンタクト層の一部を除去しており、当該除去した領域を介して前記1×N型マルチモード干渉導波路から分離された前記第1の光導波路群の光導波路に変調信号を加えることを特徴とする半導体レーザー。 A part of the contact layer is removed so as to cross the length direction of one optical waveguide of the first optical waveguide group, and the 1 × N type multimode interference is passed through the removed region. A semiconductor laser characterized in that a modulation signal is applied to an optical waveguide of the first optical waveguide group separated from the waveguide.
前記1×N型マルチモード干渉導波路の入力側のポートに一端が接続される1本の光導波路からなる第1の光導波路群と、 A first optical waveguide group consisting of one optical waveguide having one end connected to the input side port of the 1 × N type multimode interference waveguide;
前記1×N型マルチモード干渉導波路の出力側の各ポートに一端がそれぞれ接続され、三種以上の異なる導波路長を有するN本の光導波路からなる第2の光導波路群と、 A second optical waveguide group consisting of N optical waveguides each having one end connected to each port on the output side of the 1 × N type multimode interference waveguide and having three or more different waveguide lengths;
前記第2の光導波路群の各光導波路の他端が入力側の各ポートにそれぞれ接続されるN(Nは3以上の整数)入力かつ1出力型であるN×1型マルチモード干渉導波路と、 N × 1 type multimode interference waveguide of N (N is an integer greater than or equal to 3) input and 1 output type, the other end of each optical waveguide of the second optical waveguide group being connected to each port on the input side When,
前記N×1型マルチモード干渉導波路の出力側のポートに一端が接続され、他端を出射面とする1本の光導波路からなる第3の光導波路群と、 A third optical waveguide group consisting of one optical waveguide having one end connected to the output side port of the N × 1 type multimode interference waveguide and the other end as an exit surface;
を備え、 With
前記第1の光導波路群の1本の光導波路の他端を反射面とし、 The other end of one optical waveguide of the first optical waveguide group is a reflective surface,
前記1×N型マルチモード干渉導波路、第1の光導波路群及び第2の光導波路群が、活性層を有する層構造であり、 The 1 × N type multimode interference waveguide, the first optical waveguide group, and the second optical waveguide group have a layer structure having an active layer,
前記第2の光導波路群のうち、一の光導波路の導波路長が、二種以上の異なる導波路長を有する複数本の他の光導波路の導波路長と異なり、 Of the second optical waveguide group, the waveguide length of one optical waveguide is different from the waveguide lengths of a plurality of other optical waveguides having two or more different waveguide lengths,
前記第2の光導波路群の一の光導波路の導波路長に対する、前記第2の光導波路群の複数本の他の導波路の各導波路長の差に基づく、前記出射面からの透過光の繰り返しピークの間隔である波長ピーク周期Δλが、複数存在し、 Transmitted light from the exit surface based on a difference in each waveguide length of a plurality of other waveguides of the second optical waveguide group with respect to a waveguide length of one optical waveguide of the second optical waveguide group There are a plurality of wavelength peak periods Δλ that are intervals between the repeated peaks of
下記式7を満たす各整数をmとし、前記第2の光導波路群の一の光導波路の導波路長に対する、前記第2の光導波路群の複数本の他の光導波路の各導波路長との差をΔdとすると、下記式8を満たすことを特徴とする半導体レーザー。 Each integer satisfying the following formula 7 is m, and the waveguide lengths of a plurality of other optical waveguides of the second optical waveguide group with respect to the waveguide length of one optical waveguide of the second optical waveguide group; A semiconductor laser characterized by satisfying the following formula 8, where Δd is Δd.
[式7][Formula 7]
m=λm = λ 00 /Δλ/ Δλ
(但し、λ(However, λ 00 :入射光波長、Δλ:波長ピーク周期): Incident light wavelength, Δλ: wavelength peak period)
[式8][Formula 8]
Δd=λΔd = λ 00 (Φ(Φ 00 +2π(m−1))/2πn+ 2π (m−1)) / 2πn eqeq
(但し、n(However, n eqeq :第2の光導波路群の光導波路の等価屈折率、Φ: Equivalent refractive index of the optical waveguide of the second optical waveguide group, Φ 00 :初期整合位相): Initial matching phase)
前記第3の光導波路群の光導波路が、外部電極に接続するコンタクト層を有しており、
前記第3の光導波路群の1本の光導波路の長さ方向を横断するように、前記コンタクト層の一部を除去しており、当該除去した領域を介して前記1×N型マルチモード干渉導波路から分離された前記第3の光導波路群の光導波路に変調信号を加えることを特徴とする半導体レーザー。 In the semiconductor laser according to claim 6,
The optical waveguide of the third optical waveguide group has a contact layer connected to an external electrode;
A part of the contact layer is removed so as to cross the length direction of one optical waveguide of the third optical waveguide group, and the 1 × N type multimode interference is passed through the removed region. the semiconductor laser according to claim Rukoto a modulated signal applied from the waveguide to the optical waveguide is separated the third optical waveguide group.
前記第2の光導波路群のうち、少なくとも1本の光導波路が、曲線領域を含む曲線導波路であることを特徴とする半導体レーザー。 A semiconductor laser characterized in that at least one of the second optical waveguide groups is a curved waveguide including a curved region.
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