JP5881063B2

JP5881063B2 - 半導体光フィルタ

Info

Publication number: JP5881063B2
Application number: JP2012133097A
Authority: JP
Inventors: 貴志田所; 洋八坂
Original assignee: Tohoku University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2032-06-12
Also published as: JP2013257425A

Description

本発明は、半導体光フィルタに関し、より詳細には、光通信分野および光計測分野における光信号を、光信号の波長に応じて透過し、あるいは反射するために用いられる半導体光フィルタに関する。

従来、光通信システムの大容量化、長距離化に向けて、波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing; WDM）通信システムの研究開発が盛んに行われ、商用システムに適用されるに至っている。本システムでは、１本の光ファイバで波長の異なる複数の光信号を伝送する構成となっている。このため、異なる波長を有する複数の信号光を１つの出力（ＷＤＭ信号）に束ねるための光合波器と、１つに束ねられたＷＤＭ信号を、ＷＤＭ信号の波長に応じて分波するための光分波器が必要不可欠である。このような光合分波器には、非特許文献１の報告にあるようなアレー導波路回折格子（Arrayed Waveguide Grating; AWG）フィルタが用いられている。

図１にAWGフィルタの構造を示す。本フィルタは石英ガラス（二酸化ケイ素；SiO₂）を堆積したSi基板１上に形成されている。Si基板１上において、入力光導波路２の出射端に入力スラブ導波路３の入力端が接続され、入力スラブ導波路３の出力端にアレー導波路４の入射端が接続されている。また、アレー導波路４の出射端に出力スラブ導波路５の入力端が接続され、出力スラブ導波路５の出力端に出力光導波路６の入射端が接続されている。

入力光導波路２に入力した信号光は、入力スラブ導波路３、アレー導波路４、出力スラブ導波路５、出力光導波路６の順に伝搬される。

ここで、入力光導波路２に入力した信号光は入力スラブ導波路３内でフレネル・キルヒホッフの回折公式 (1) に従って回折し、アレー導波路４へ導かれる。

ここにg(x₀,0)は入力光導波路２の出射端での伝搬光モード形状を表す。

図２に、図１における入力スラブ導波路３内の信号光の伝搬の様子を示す。入力導波路２からの出力光が入力スラブ導波路３内で回折し、アレー導波路４へ導かれている様子が分かる。本図では分かり易くするために光強度は光の進行方向で規格化してピーク強度が同じになるようにして示している。

図３に、図１における出力スラブ導波路５を伝搬する信号光の強度分布を示す。アレー導波路４は、隣接導波路が一定の長さだけ異なるように設計されている。アレー導波路４により一定の遅延を受けた光波群は出力スラブ導波路５内で干渉し、図３に示すように、アレー導波路４により一定の遅延を受けた光波群のそれぞれの信号光波長によって出力スラブ導波路５の出力端の一点に集光する。この一点に集光した光波を出力光導波路６で取り出すことでフィルタ機能（分波機能）を実現している。

また、非特許文献２の報告にあるように、コンパクトで半導体光集積回路への集積が可能な半導体ＡＷＧフィルタが開発されている。本素子においては、図１に示す素子構造において基板１に半導体のInPを用いている。半導体ＡＷＧフィルタにおいては、材料の屈折率が温度により変化するため、基板に半導体のInPを用いる半導体ＡＷＧフィルタのフィルタ特性には温度依存性がある。この特性を用いて、素子温度の調整で透過波長の微調整を行うことができる。

Meint K. Smit, Associate Member, IEEE, and Cor van Dam, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 2, no. 2, pp. 236-250, 1996年6月 M. Kohtoku, H. Sanjoh, S. Oku, Y. Kadota, Y. Yoshikuni and Y. Shibata, Electronics Letters, vol. 33, no. 21, pp. 1786-1787, 1997年10月9日

しかしながら、半導体ＡＷＧフィルタはチップサイズが5mm×5mm 程度有り、チップ全体の温度を調整することで特性の調整をするためには、大きな消費電力を費やす必要があった。また、素子温度を変えて特性調整をすると、透過特性のチャンネル間波長間隔も変化してしまい、ＷＤＭシステムへの適用に大きな問題となっていた。半導体ＡＷＧフィルタの製造初期透過特性の微調整や出力導波路の各ポートから出力可能な波長の可変機能を実現するための機構の付加が望まれていた。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板と、入力光導波路と、入力スラブ導波路と、アレー導波路と、出力スラブ導波路と、出力光導波路とを備えた半導体光フィルタであって、前記入力スラブ導波路は、閃亜鉛鉱構造を有する半導体結晶であり、前記入力スラブ導波路の光波の進行方向の中心軸が前記半導体結晶の[００１]軸に一致するように作製され、前記入力スラブ導波路に対して前記半導体結晶の結晶成長軸[１００]方向に電界を印加するための電圧印加電極を備えたことを特徴とする。

これにより、電極へ電圧を印加することで入力スラブ導波路の領域の光波の進行方向と垂直な方向の屈折率を傾斜的に変えることができるようにし、アレー導波路へ結合する光波の位相に傾斜を加えることで、出力導波路の各ポートから出力可能な波長の可変機能を有する半導体光フィルタを実現する。

以上説明したように、本発明により電圧を印加することで出力導波路の各ポートから出力可能な透過波長を掃引でき、透過波長の可変機能を有する半導体光フィルタを提供することが可能となる。

アレー導波路回折格子（ＡＷＧ）フィルタの構造の図例である。図１における入力スラブ導波路を伝搬する信号光の強度分布を示すブロック図である。図１における出力スラブ導波路を伝搬する信号光の強度分布を示すブロック図である。本発明の第１の実施例による半導体光フィルタの構造図である。図４における半導体入力スラブ導波路の結晶軸と光波の伝搬方向を示す図である。屈折率変動量のｚ軸（[００１]軸）となす角θに対する依存性を示す図である。図４における半導体入力スラブ導波路に電界を印加していない場合の、半導体出力スラブ導波路を伝搬する信号光の強度分布を示す図である。図４における半導体入力スラブ導波路に電界を印加した場合の、半導体出力スラブ導波路を伝搬する信号光の強度分布を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例について詳細に説明する。

図４に本発明の第１の実施例を示す。本発明第１の実施例による半導体光フィルタは、InP基板１１上に作製されている。InP基板１１上において、半導体入力光導波路１２の出射端に半導体入力スラブ導波路１３の入力端が接続され、半導体入力スラブ導波路１３の出力端に半導体アレー導波路１４の入射端が接続されている。また、電圧印加用電極１０は、半導体入力スラブ導波路１３上に形成されている。そして、半導体アレー導波路１４の出射端に半導体出力スラブ導波路１５の入力端が接続され、半導体出力スラブ導波路１５の出力端に半導体出力光導波路１６の入射端が接続されている。

半導体入力光導波路１２に入力した信号光は、半導体入力スラブ導波路１３、半導体アレー導波路１４、半導体出力スラブ導波路１５、半導体出力光導波路１６の順に伝搬される。

例として、n-InP基板上に、厚みが1μmのn-InPバッファー層、厚みが100nmで組成波長が1.2μmのn-InGaAsP光閉じ込め層、厚みが200nmで組成波長が1.3μmのInGaAs層、厚みが100nmで組成波長が1.2μmのp-InGaAsP光閉じ込め層、厚みが500nmのp-InPバッファー層、厚みが50nmのInGaAsコンタクト層を順次結晶成長し、個々の部分を構成する光導波路以外の部分を表面から1.4μmだけエッチングし、ハイメサ導波路構造を有する素子を作製している。

図５に、図４における半導体入力スラブ導波路１３の結晶軸と光波の伝搬方向を示す。半導体入力スラブ導波路１３は、光波進行方向の中心軸が結晶軸の[００１]方向となるように作製されている。また、半導体入力スラブ導波路１３上には電圧印加用電極１０が形成されており、この電極で結晶軸[１００]方向に電界を印加できるようにしている。

InPはIII-V族半導体で、閃亜鉛鉱構造を有し圧電性結晶であるため、電界印加でポッケルス効果による屈折率変化が期待できる。閃亜鉛鉱構造結晶の逆誘電率テンソルb_ij、ポッケルス定数γ_ijkは以下のように表される。

ここに、ポッケルス定数の添字の「4」は「23」あるいは「32」を示す。InPのポッケルス定数は、 γ₄₁〜-2.0×10^-12 [m/V] 程度の値を有する。

今、[１００]軸を x軸、[０１０]軸を y軸、[００１]軸を z軸と表し、[１００]軸に電界 E_x を印加した場合を考えると、本結晶の屈折率楕円体は以下のように表される。

yz平面で軸を45度回転し、新しいy'軸を[０１１]軸方向に、およびz'軸を

軸方向にとる。すると(4)式は以下のように変換できる。

これより、 y' 軸方向へ伝搬する光の屈折率 n_y' 及び z' 軸方向へ伝搬する光の屈折率 n_z' が以下のように導かれる。

ポッケルス効果による屈折率変動が小さいとすると両屈折率は以下のように表される。

つまりy' 方向に進む光波の感じる屈折率は [１００]方向への電界印加で

だけ減少し、z'方向に進む光波の感じる屈折率は [１００]方向への電界印加で

だけ増加することとなる。図５に示すように光波の伝搬する方向の、z軸（[００１]軸）となす角をθとすると（y軸[０１０]に向く方向を正とする）、半導体入力スラブ導波路１３を回折して伝搬する光波の感じる屈折率は以下のようになる。

また、屈折率変動量Δn は以下のように表される。

図６に、(11)式で示した屈折率変動量Δnのz軸（[００１]軸）となす角θに対する依存性を示す。この屈折率変動量Δnは、-45°≦θ≦45°の範囲ではz軸（[００１]軸）となす角θにほぼ比例して変化することがわかる。

図７に、図４における半導体入力スラブ導波路１３に電界を印加していない場合の、半導体出力スラブ導波路１５を伝搬する信号光の強度分布を示し、図８に、図４における半導体入力スラブ導波路１３に電界を印加した場合の、半導体出力スラブ導波路１５を伝搬する信号光の強度分布を示す。

図６に示す特性により、半導体入力スラブ導波路１３上に付与した電圧印加用電極１０へ電圧を印加し、半導体入力スラブ導波路１３の[１００]軸方向へ電界を印加することで、中心軸[００１]から角度θだけずれた位置を伝搬する光波に対して(11)式で与えられる屈折率変化を付与でき、半導体アレー導波路１４へ結合する光波の位相を導波路位置に対してほぼ線形に変化させることができる。また、半導体アレー導波路１４へ結合する光波の位相変化量は印加する電界 E_x に比例することから、電圧印加用電極１０へ印加する電圧を調整することで、半導体アレー導波路１４のそれぞれの導波路へ結合する光波の位相変化量を調整することができる。この位相変化で半導体アレー導波路１４の出力位置での位相を制御し、半導体出力スラブ導波路１５内での干渉の様子を変化させることができ、図７に示した電圧無印加時の信号光の強度分布に比べ、図８に示すように電圧印加用電極１０へ10Vの電圧を印加することで半導体出力導波路１６のポートで４ポート分だけ焦点位置をずらすことができる。このずれは波長にして1.6nmの掃引幅に対応している。

以上説明したように、本発明の第１の実施例による半導体光フィルタによって、電圧印加用電極に電圧を印加することにより半導体入力スラブ導波路１３の領域の光波の進行方向と垂直な方向の屈折率を傾斜的に変化させ、半導体入力スラブ導波路１３の領域の光波の屈折率変動量Δnは、角θにほぼ比例して、ほぼ線形に変化させることができる。これにより、半導体出力スラブ導波路１５へ入射される光波群の位相変化量を調整して、半導体出力導波路１６の各ポートから出力する波長を可変することができる半導体ＡＷＧフィルタが実現できる。

本実施例ではInPを用いた例を示したが、同じIII-V族半導体で閃亜鉛鉱構造を有するGaAs系材料を用いても同じ効果を得ることができることは言うまでもない。また、誘電体材料であるLiNbO₃においても入力スラブ導波路を作製する軸方向を適切に設定することで同じ効果を得られることは言うまでもない。

１基板
２入力光導波路
３入力スラブ導波路
４アレー導波路
５出力スラブ導波路
６出力光導波路
１０電圧印加用電極
１１ InP基板
１２半導体入力光導波路
１３半導体入力スラブ導波路
１４半導体アレー導波路
１５半導体出力スラブ導波路
１６半導体出力光導波路

Claims

基板と、入力光導波路と、入力スラブ導波路と、アレー導波路と、出力スラブ導波路と、出力光導波路とを備えた半導体光フィルタであって、
前記入力スラブ導波路は、閃亜鉛鉱構造を有する半導体結晶であり、
前記入力スラブ導波路の光波の進行方向の中心軸が前記半導体結晶の[００１]軸に一致するように作製され、前記入力スラブ導波路に対して前記半導体結晶の結晶成長軸[１００]方向に電界を印加するための電圧印加電極を備えたことを特徴とする半導体光フィルタ。