JP6778154B2

JP6778154B2 - 干渉計導波路

Info

Publication number: JP6778154B2
Application number: JP2017126702A
Authority: JP
Inventors: 悠太上田; 神徳　正樹; 正樹神徳
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-06-28
Filing date: 2017-06-28
Publication date: 2020-10-28
Anticipated expiration: 2037-06-28
Also published as: JP2019008256A

Description

本発明は光デバイスに関し、特に干渉計導波路に関する。

従来より、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）導波路に代表される光の干渉効果を利用する干渉計導波路は、光デバイスの重要な構成要素である。

ＭＺＩは、適当な分波回路によって入力光を二分岐して、アーム導波路と呼ばれる別々の導波路を導波した二つの光を、合波器で再び合波して干渉出力する構成をとる。合波される二つの光波に与えられる位相差によって、合波器から出力される光の強度や位相を変化させ、もしくは合波器が複数の出力導波路を有している際は、光が出力される導波路を切り替えることができる。

ＭＺＩは、アーム導波路の二つの光波の位相を、外部信号により制御される位相変調器（位相調整器）によって変化させて、出力光の状態を位相変調制御できる（非特許文献１）。あるいは、アーム導波路の位相特性に強い波長依存性や偏光依存性を持たせる事で、ＭＺＩを波長制御素子（非特許文献２）や偏光制御素子として用いる事もできる。

また、ＭＺＩは上記の通り二つのカプラと二つのアーム導波路からなるが、その他の干渉型の素子としてカプラが一つだったり、アーム導波路が三つ以上の場合もある（非特許文献３）。

Nobuhiro Kikuchi, Hiroaki Sanjoh, Yasuo Shibata, Ken Tsuzuki, Tomonari Sato, Eiichi Yamada, Tadao Ishibashi, and Hiroshi Yasaka, "80-Gbitls InP DQPSK modulator with an n-p-i-n structure", in Proc. of ECOC 2007, 10.3.1, 2007. T. Fujisawa, S. Kanazawa, Y. Ueda, W. Kobayashi, K. Takahata, A. Ohki, T. Ito, M. Kohtoku, and H. Ishii, "Low-Loss Cascaded Mach-Zehnder Multiplexer Integrated 25-Gbit/s x 4-Lane EADFB Laser Array for Future CFP4 100 GbE Transmitter," IEEE J. Quantum Electron., 49, 1001-1007 (2013). Y. Ueda, T. Fujisawa, K. Takahata, M. Kohtoku, and Hiroyuki Ishii, "InP-based Compact Transversal Filter for Monolithically Integrated Light Source Array", Opt. Express, 22, 7844-7851 (2014).

このようなＭＺＩなどの干渉計導波路において、アーム導波路からの光出力が同相で合波されるオンの時の光強度と、逆相で合波されるオフの時の光強度との比は消光比と呼ばれ、一般的に大きな消光比をもつ干渉計ほど優れているとされる。光出力がオフの時の光強度がゼロに限りなく近ければ、消光比は限りなく大きくなる。しかしながら、実際上はオフ状態であっても光強度は一定の大きさを有する。その一因は、光導波路を導波する光の高次モードの影響である。

図１は、光導波路を伝搬する光の導波モードを説明する図である。図１では、例えば図１（ａ）の光導波路断面図の様に、コア層１とコア層よりも屈折率の低いクラッド層２，３の多層膜が空気４に覆われている様な導波路を考える。光は、紙面垂直方向に伝搬するものとする。

導波路の幾何的大きさやコアやクラッドの屈折率、導波する光の波長にもよるが、一般的に光導波路内を伝搬する光の電磁界分布には、例えば図１（ｂ）〜（ｄ）に示すような、次数の異なる複数の伝搬モード（導波モード）が同時に存在する。図１（ｂ）は、導波路断面の幅方向の電界（あるいは磁界）分布に節が無い、０次モードと呼ばれるモードの光の電磁界分布を示す。図１（ｃ）は、導波路断面の幅方向の電磁界分布に節が１つある、１次モードの電磁界分布である。図１（ｄ）は、同様に幅方向に節が２つある、２次モードの電磁界分布を示す。

コア層１の厚みの制限により通常は、導波路断面の厚み方向の電磁界分布は節が無い０次モードとされる。一般に、０次モード以外の導波モードが高次モードと呼ばれる。

通常、光導波路は、０次モードが最も大きな割合のエネルギーを運ぶとして設計される。しかし、上述の消光比を考える際には、０次モード以外の高次モードの影響も加味する必要が有る。

図２に示す従来のＭＺＩ導波路を例に、この高次モードの影響を検討する。図２のＭＺＩ導波路は、入力光を２分岐する分波用カプラＣ１と、２本のアーム導波路Ａ１、Ａ２と、アーム導波路Ａ１上の位相調整器ＰＭと、２本のアーム導波路からの光を合波出力するカプラＣ２から成る。このＭＺＩ導波路へ、パワーＡｍのｍ次モードの光を入射した場合の、出力光の電界をＥｍを数式で表すと次式（１）になる。

ここで、Δθｍは、位相調整器ＰＭにより導入される、該当のＭＺＩのアーム導波路を伝搬する２つのｍ次モード光の間の位相差である。

式（１）から明らかな様に、異なるアーム導波路を伝搬する光の位相差Δθｍがゼロ（同相）の時は光出力パワーはＡｍであり、π（逆相）である時は光出力はゼロになる。従って、ｍ次モード光の消光比は∞になる。通常はｍ＝０の０次モードが主要モードとして、光パワーの大半を占めるので、ｍ＝０に対して位相差Δθｍをπに調整できればよい。

図２に示されるように、上記Δθｍは、アーム導波路Ａ１上の位相調整器ＰＭに外部から位相調整信号を印加して変化させる事ができる。位相調整器ＰＭはアーム導波路Ａ２上に設けられていても構わない。

ＭＺＩにｍ次モード光を入射した際には、ＭＺＩ導波路内でｍ次モード以外の光が励振されたり、または選択的に光がカットされる導波モードが存在する事があるが、ここでは簡単のためにｍ次モード光を入射した場合はｍ次モード光のみが出力されると仮定している。また、位相差が無い時は入力に対し１００％の光が出力されると仮定した。

以上は、ｍ次モード光のみを入力した場合を考えたが、実際にはＭＺＩの入力においてｍ次モード光とともに同時にｎ次モード光（ｎ≠ｍ）が入射される事も考えられる。

すると、異なるモードの光の電磁界は、数式上直交性があるので、その時のＭＺＩの電界出力は以下になる。

従って、出力される光パワーは

となる。この式（３）によれば、ｍ次モード光の位相差Δθｍがπであっても、ｎ次モード光の位相差Δθｎがπでない限りは、消光時の光出力はゼロとならず有限の値である。すなわち、ｍ次モード光と同時にｎ次モード光（ｎ≠ｍ）が入射される場合は、ｍ次モードのみを考えた時と比較して消光比が劣化する事になる。主要モードをｍ＝０とすれば、ｎ次モード光は全て高次モード光であり一つとは限らないが、通常はそのうちのパワー最大の高次モードが問題となる。

本発明はこの問題を解決するために提案されるものである。
すなわち、本発明は、このような高次モードに起因する消光比の劣化を改善する干渉計導波路を提供することを目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。

（発明の構成１）
一つ以上の入力導波路と、
前記入力導波路に接続され光入力をＮ分岐（Ｎは２以上の整数）する分波器と、
前記分波器からの出力を個別に導波するＮ本のアーム導波路と、
前記Ｎ本のアーム導波路からの光を合波して一つ以上の出力導波路に光を出力する合波器とからなる干渉計導波路において、
前記Ｎ本のアーム導波路のうちの少なくとも一本以上のアーム導波路に、
それぞれ異なる次数の導波モードに対応した電極構造の位相調整電極を有する位相調整器が複数備わっており、
少なくとも１つの前記位相調整器には、前記アーム導波路の幅よりも幅の狭い位相調整電極が、少なくとも１本設けられている事を特徴とする
干渉計導波路。

（発明の構成２）
発明の構成１の干渉計導波路において、
少なくとも１つの前記位相調整器の位相調整電極の幅が、アーム導波路の方向に対して変化する事を特徴とする、
干渉計導波路。

（発明の構成３）
発明の構成２の干渉計導波路において、
前記位相調整電極の幅がアーム導波路の方向に対して変化する過程で、該当のアーム導波路幅と同じかそれ以上に太くなる事を特徴とする
干渉計導波路。

以上記載したように、本発明によれば、高次モードに起因する消光比の劣化を改善した干渉計導波路を提供すること可能となる。

光導波路を伝搬する光の導波モードを説明する図である。従来のＭＺＩ導波路の模式図である。本発明の干渉計導波路の電極構造の例を複数示す断面図である。本発明の実施例１の干渉計導波路の断面図である。本発明の実施例１の干渉計導波路の屈折率変化量と位相変化の関係図である。本発明の干渉計導波路を用いたＭＺＩ導波路の模式図である。本発明の実施例２の干渉計導波路の、進行方向に沿って電極構造が変化する位相調整器の模式図である。本発明の実施例３の干渉計導波路の、進行方向に沿って電極構造が変化して電極幅が導波路幅と同じになる位相調整器の模式図である。

高次モード光に起因する干渉計導波路の消光比の劣化を改善するためには、前述の式（３）より、アーム導波路上の位相調整器において、ｎ次の高次モード光の位相をｍ次の主要モードの位相と同時にπに調整して、オフ状態の光の出力を最小化すればよい。

図１に示した通り、異なる導波モードの光は導波路内において異なる電磁界分布を持ち、それぞれが独立（直交）である。従って、複数の導波モードを含む光の位相を調整するには、異なる特定の導波モードの光の電磁界分布に対して最も位相変化が大きくなるような位相調整器を、アーム導波路上に複数設け、それぞれの位相調整器の位相調整電極の配置を、対応する異なる特定の導波モードにあわせ設計すればよい。但し、ここで言う異なる特定の導波モードとは、単一の導波モードのみでなく、複数の異なる導波モードの組み合わせであって互いに独立なものをも含む。

図３は、本発明の干渉計導波路の位相調整器に適用される位相調整電極の電極構造の例を複数示す断面図である。図３の位相調整電極の配置例はいずれも、それぞれ異なる特定の導波モードの光に対して位相変化を生じるように配置された電極構造を示すものである。

図３各図の導波路の構造は、図１（ａ）と同じく、コア層１、下部クラッド層２、上部クラッド層３からなり、下部クラッド層２の下に下部電極５が、上部クラッド層３の上には導波モードに応じた位相調整電極が設けられている。

基本となる図３（ａ）の例において、上部クラッド層３の上には位相調整電極６ａが設けられている。位相調整電極６ａの幅は、図３（ａ）に示されるように、導波路とほぼ同じ幅である。この電極構造では、外部から印加した位相調整信号による電界が導波路全体を均一に通るので、効率よく導波路の物性値を変化させ、位相調整することができる。光導波路の幅方向の全体に均一に電界が作用するため、位相調整の効果は導波モードによらず同様なものとなり、いずれの次数のモード光に対しても、ほぼ同様な位相変化を与えることができる。

次に、例えば図１（ｂ）に示される０次モード光と図１（ｃ）に示される１次モード光を含む入力光に対して、例えば０次モード光を選択的に調整したい場合を考える。この場合は、図３（ｂ）に示すように、０次モード光の電磁界が集中し、かつ１次モード光の電磁界の節となる導波路の幅方向の中央に、導波路よりも幅の狭い位相調整電極６ｂを１本配置する。このような位相調整電極６ｂを設ける事で、０次モード光の位相を選択的に１次モード光より大きく調整できる。

同様に１次モード光を選択的に大きく調整したいならば、図３（ｃ）に示すように、０次モード光の電磁界が比較的弱く、１次モード光の電磁界が集中する導波路の脇の２箇所に、導波路よりも幅の狭い位相調整電極６ｃ１、６ｃ２を２本並列に配置する。このような位相調整電極６ｃ１、６ｃ２を設ける事で、１次モード光の位相を選択的に０次モード光より大きく調整できると考えられる。

仮に、２次モード光が存在した場合には、図３（ｄ）に示すように、２次モード光の電磁界が集中する導波路の幅方向の３箇所に、位相調整電極６ｄ１〜３を３本並列に配置する事が考えられる。但し、上述の議論から明らかなように、単純な３本並列の電極配置では、０次モード光や１次モード光にも同様な位相変化がでてしまうので、図５に関連して後述のように、その影響を考慮して調整する必要がある。

なお、位相調整用の外部信号としては、電界のほかに電流、あるいは電極から発せられる熱などの形態も利用可能である。位相調整電極より、これらの形態の位相調整信号を導波路材料に印加して、電極直下の導波路を構成するコアやクラッドの屈折率を外部信号に対して変化させて、伝搬する光の位相を調整することができる。

また、位相調整電極が複数本となる場合に、個別の位相調整電極を大きさの異なる位相調整信号によってそれぞれに駆動してもよいが、同じ位相調整信号によって駆動して、個別の電極の形状、長さや幅を変えることもできる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（実施例１）
図４に、本発明の実施例１の干渉計導波路を、ＩｎＰ系の化合物半導体にて形成した際の断面図を示す。実施例１では、ＩｎＰ系の化合物半導体材料を例にしたが、Ｓｉやガラスなどの他の材料であっても構わない。

図４では、下部クラッド層ともなる基板Ｓの上に種類の異なる半導体が多層膜状に堆積されて光導波路を形成している。基板Ｓの上に、まずコア層ＣＯとして、総層厚が０．５μｍのＩｎＡｌＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓによる多重量子井戸（ＭＱＷ）が積層され、またその上にクラッド層ＣＬとして、２．０μｍのＩｎＰが積層されている。

図４では例示的に、クラッド層ＣＬの上に導波路幅よりも狭い幅の位相調整電極６ｄ１〜３を３本示し、下部電極５は省略している。ここで光を閉じ込めるコア層ＣＯのＭＱＷは、例えばフォトルミネッセント評価において１３８５ｎｍをピーク波長として発光する半導体組成を用いている。

本発明の実施例１の干渉計導波路によるＭＺＩ導波路としての全体構成は、図６に後述するが、干渉計を構成する分波器Ｃ１と合波器Ｃ２は、それぞれ１ｘ２ポートの多モード干渉導波路（ＭＭＩ）とできる。該当の分波器Ｃ１と合波器Ｃ２のポート数は、上記よりも多くても構わない。すなわち干渉計導波路の入出力導波路は２つ以上でも構わないし、アーム導波路も２本より多くても構わない。

すなわち以下同様であるが、干渉計導波路は、一つ以上の入力導波路と、入力導波路に接続され、入力光をＮ分岐（Ｎは２以上の整数）する分波器と、該当の分波器からの出力を個別に導波するＮ本のアーム導波路と、Ｎ本のアーム導波路からの光を合波して一つ以上の出力導波路に光を出力する合波器からなる干渉計導波路、とすることができる。

また、カプラ構造もＭＭＩを用いたものでなくても、例えば方向性結合器を用いたものでも構わない。更に、非特許文献３の様に、反射型の干渉計の様に分波器と合波器を兼ねて一つとしても構わない。

製造工程としては、ドライエッチングなどの工程により、図４の形状に基板Ｓ、コア層ＣＯ、上部クラッド層ＣＬを加工する事で光導波路を形成する事ができる。

ここで、アーム導波路の上部クラッド層ＣＬ上に、対応する導波モード(あるいはその組み合わせ)に応じた位相調整電極を、必要な本数と幅で蒸着工程により形成する事で、図３に示した様な各種の電極を有する位相調整器を実現できる。

（電極構造と導波モードに応じた屈折率変化量と位相変化の関係）
図５に、本発明の実施例１の干渉計導波路の位相調整器の、電極構造と導波モードに応じた屈折率変化量と位相変化の関係の図を２つ示す。

図５（ａ）は、位相調整器の導波路上に導波路幅６μｍと同じ幅の位相調整電極６ａ（図３（ａ）に相当）が設けられており、位相調整器の長さは７５０μｍの場合である。図５（ａ）は、この場合において、その電極直下のコアの屈折率変化に対して、０次モードと１次モードの光が受ける位相変化を求めたグラフを２本示している。前述のようにこの場合は、０次モード光も１次モード光も、屈折率変化に対してほぼ同じ量の位相変化が得られている事が分かる。

一方、図５（ｂ）は、位相調整器の幅６μｍの光導波路の中心上に導波路よりも幅の狭い２μｍ幅の位相調整電極６ｂ（図３（ｂ）に相当）を１本配置した、長さ７５０μｍの位相調整器における同様なグラフである。この場合は、０次モード光の電磁界が集中し、かつ１次モード光の電磁界の節となる導波路の幅方向の中央に、導波路よりも幅の狭い電極６ｂが配置されているので、０次モード光の位相変化が１次モード光と比較して、およそ２倍である事が分かる。

以上の電極構造と導波モードに応じた位相変化の違いを利用すると、以下のように０次モード光と１次モード光の位相を独立に制御することができる。

（本発明の干渉計導波路を用いたＭＺＩ導波路）
すなわち図６の本発明の干渉計導波路を用いたＭＺＩ導波路の模式図に示すように、１本のアーム導波路Ａ１上に図５（ａ）に示した変調特性の位相調整器ＰＭ１と、図５（ｂ）に示した変調特性の位相調整器ＰＭ２を２つ縦続配置する。２つの位相調整器ＰＭ１，ＰＭ２の位相調整電極６ａ、６ｂは、連続する１本の位相調整電極の幅を変えることで形成してもよい。または、同じ位相調整信号によって駆動される２本の電極としても良い。

このように配置することによって、アーム導波路Ａ１を導波する光には２つの位相調整器ＰＭ１，ＰＭ２による位相変化が加算されて生じる。ここで、２つの位相調整器の与える屈折率変化量を以下のように規定した時の、光の位相変化を考える。

すると、図５（ａ）に示したように、位相調整器ＰＭ１の屈折率変化量をｙをとした時、０次モードの位相変化と１次モードの位相変化はほぼ等しくｂｙとなる。ここで、ｂは図５（ａ）の０次モードの位相変化のグラフの傾きである。但し簡単化のため、図５（ａ）の１次モードの位相変化のグラフの傾きも同じくｂとしている。

同様に、図５（ｂ）に示したように、位相調整器ＰＭ２の屈折率変化量をｘをとした時、０次モードの位相変化は２ａｘ、１次モードの位相変化はａｘとなる。ここで、ａは図５（ｂ）の１次モードの位相変化のグラフの傾きである。

これらの位相変化の和が、本発明の干渉計導波路を用いたＭＺＩ導波路における０次モードと１次モードのアーム導波路間位相差Δθ₀、Δθ₁であり、これがある所定の量φ₀、φ₁（例えば消光状態ならば、ともにπ）になる条件は、連立方程式

で表される。

この連立方程式をｘ、ｙについて解くと、

である。

したがって、上記式（５）で得られたｘとｙの組み合わせにより２つの位相調整器を設定する（例えば位相調整電極の長さを設定する）ことにより、０次モードの位相変化と１次モードの位相変化を任意の組み合わせφ₀、φ₁に制御できる。例えば消光状態において、０次モードの位相変化と１次モードの位相変化を同時にπとすれば、高次モードによる消光比の劣化が大幅に改善される。

上記の例では、１つのアーム導波路に２つの位相調整器を設けた例を述べたが、同様にして一般に３以上の異なる複数の導波モードに対応した位相調整電極を有する複数の位相調整器を設ければ、複数の導波モードに対して位相変化を独立に調整できる事が分かる。

この場合に、高次モード対応の位相調整器に対しては複数本の位相調整電極が存在するので、１つのアーム導波路に設けた複数の位相調整器は、導波路の方向に幅ないし本数の変化する１ないし複数本の位相調整電極を有することになる。

位相調整電極の幅ないし本数は、位相調整器に対応する導波路の区間毎に変化することになり、各位相調整器に対応する区間の長さを上記のように設定することになる。位相調整電極の幅は、各位相調整器に対応する区間の境界において連続的に変化させても良い。

（実施例２）
図７に、本発明の実施例２の干渉計導波路の上面図と、各々の２箇所における断面図を示す。実施例１では、幅の変化する１本の位相調整電極が設けられた導波路構造について述べたが、例えば図７の実施例２の態様では、位相を操作する目的の導波モードに対応して、図３（ｃ）、図３（ｄ）に示した様な２本以上の位相調整電極が並列して設けられている導波路構造の例を示す。

図７の実施例２の態様では、図７（ａ）の上面図に記載した様に、導波路の左端から２本の位相調整電極６ｃ１、６ｃ２で始まっている（断面図７（ｂ））。２本の位相調整電極６ｃ１、６ｃ２は、その幅がそれぞれに導波路の進行方向に沿って連続的に変化しつつ１本の位相調整電極６ｂが間に追加されて３本の並行する電極構造となる（断面図７（ｃ））。その後２本の位相調整電極６ｃ１、６ｃ２が終端して、１本の位相調整電極６ｂとなり右端に達する電極構造の例が示されている。このような構成によれば、０次、１次の導波モード以外の導波モードに対しても位相を調整可能となり、より高い消光比をもった干渉計導波路を製造することができる。

（実施例３）
図８に、本発明の実施例３の干渉計導波路の上面図と、各々の２箇所における断面図を示す。

図８の実施例３の態様では、図８（ａ）の上面図に記載した様に、電極構造が導波路の進行方向に沿って連続的に変化する例が示されている。図８（ａ）の上面図では、導波路の左端から幅の狭い１本の位相調整電極６ｂで始まり（断面図８（ｂ））、その幅が導波路の進行方向に沿って連続的に変化しつつ広がって１本の位相調整電極６ａ（断面図８（ｃ））となり右端に達する電極構造の例が示されている。

断面図８（ｃ）では位相調整電極６ａは導波路幅より狭いが、図示しない埋め込み層を導波路の両脇に設けることによって、一般の電極と同じように、位相調整電極の幅がアーム導波路幅と同じか、それ以上に太くなっても構わない。

本発明の実施例３では、このような電極構造とすることによって、より高い自由度で複数の導波モードに応じた位相調整を実現することができ、より高い消光比をもった干渉計導波路を製造することができる。

以上のように本発明によれば、高次モードに起因する消光比の劣化を改善した干渉計導波路を提供することが可能となる。

１、ＣＯコア
２，３、ＣＬ（Ｓ）クラッド（基板）
４空気
５電極
６ａ、６ｂ、６ｃ１，６ｃ２、６ｄ１〜６ｄ３位相調整電極
Ｃ１分波器
Ｃ２合波器
ＰＭ，ＰＭ１、ＰＭ２位相調整器

Claims

一つ以上の入力導波路と、
前記入力導波路に接続され、入力光をＮ分岐（Ｎは２以上の整数）する分波器と、
前記分波器からの出力を個別に導波するＮ本のアーム導波路と、
前記Ｎ本のアーム導波路からの光を合波して一つ以上の出力導波路に光を出力する合波器とからなる干渉計導波路において、
前記Ｎ本のアーム導波路のうちの少なくとも一本以上のアーム導波路に、
それぞれ異なる次数の導波モードに対応した電極構造の位相調整電極を有する位相調整器が複数備わっており、
少なくとも１つの前記位相調整器には、前記アーム導波路の幅よりも幅の狭い位相調整電極が、少なくとも１本設けられている事を特徴とする
干渉計導波路。
請求項１の干渉計導波路において、
少なくとも１つの前記位相調整器の位相調整電極の幅が、アーム導波路の方向に対して変化する事を特徴とする、
干渉計導波路。
請求項２の干渉計導波路において、
前記位相調整電極の幅がアーム導波路の方向に対して変化する過程で、該当のアーム導波路幅と同じかそれ以上に太くなる事を特徴とする
干渉計導波路。