JP6914089B2 - 回折格子、回折格子アレイ、及び光フェーズドアレイ - Google Patents

Description

本発明は、回折格子、回折格子アレイ、及び光フェーズドアレイに関する。

光フェーズドアレイとは光を偏向するデバイスであり、光アンテナを構成するキーデバイスである。光フェーズドアレイの一形態として、非特許文献１に開示されたような、位相変調器と回折格子とを組み合わせた光フェーズドアレイが知られている。非特許文献１に開示された光フェーズドアレイでは、アレイ状に配置された回折格子の各々に入力させる光の位相を変調することにより偏向角が変えられるように構成されている。

一方、回折格子は、一般に、格子材料に凹凸加工を施して作製する（例えば、特許文献１）。

特開平５−１５０１０９号公報

Large-scale nanophotonicphased array, Nature, Vol.1493, p195-199, 2013

ところで、光フェーズドアレイでは、グレーティングローブと呼ばれる現象が問題になる場合がある。グレーティングローブとは、主放射方向以外の方向に放射される副次的な放射成分を指し、このグレーティングローブの影響が大きいと、例えば光フェーズドアレイを用いたレーザレーダの送信光の指向性を劣化させる要因となる。

グレーティングローブは、光フェーズドアレイを伝播する光の波長をλ、アレイ状に配置された回折格子の相互の間隔をｄとした場合、ｄ／λ＞０．５なる条件を充足する場合に発生し、ｄ／λの値が大きいほど発生するグレーティングローブの数が増加する。換言すれば、グレーティングローブの発生を抑制するためには、回折格子の間隔を狭くする必要がある。

この点、非特許文献１に開示された光フェーズドアレイでは、回折格子の形状等に起因して、回折格子の間隔ｄが波長λの２倍以上（ｄ＞２λ）あり、数多くのグレーティングローブが発生すると考えられる。従って、光フェーズドアレイの指向性の観点から改善の余地があった。

一方、特許文献１に開示されたような回折格子では、例えばハーフエッチングにより溝の深さを浅くすることによってグレーティングローブを低減させることができる。しかしながら、ハーフエッチングは再現性の点で問題があり、またハーフエッチングのための工程が追加されることによってコスト増加の要因ともなる。一般に、光導波路を用いた光集積回路等におけるエッチング量の制御は難しく、エッチングによって溝の深さを調整することは困難だからである。従って、従来技術とは発想を異にした、簡素な製造方法が求められている。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、グレーティングローブの発生が抑制されると共に、製造が容易な回折構造体を用いた回折格子、回折格子アレイ、及び光フェーズドアレイを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の回折格子は、支持層と、前記支持層に平行な所定の方向に沿い互いに平行に予め定められた間隔の空間を設けて前記支持層上に形成されると共に、各々第１の屈折率を有する第１の層及び第２の層を備え、かつ前記支持層上の前記第１の層の一端と前記第２の層の一端との間の間隙を入力端とすると共に前記第１の層の他端と前記第２の層の他端が接続され、前記入力端から入力された入力光を前記支持層上の前記空間に沿って前記所定の方向に導波する導波路を構成する高屈折率層であって、前記第１の層及び前記第２の層の各々は、前記所定の方向に沿って形成されると共に前記所定の方向と交差する方向に前記支持層に至る深さで切り欠いた複数の凹部を備え、前記第１の層の凹部の各々の開放された側と前記第２の層の凹部の各々の開放された側とが前記入力光の光路に対して対向する位置に配置された高屈折率層と、前記高屈折率層を覆うと共に前記空間を充填するように形成された前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する低屈折率層と、を含み、前記第１の層の複数の凹部と前記第２の層の複数の凹部とによって前記入力光を回折させて出力光として放射させる回折部を構成するものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記導波路は、前記第１の層、前記第２の層、及び前記第１の層と前記第２の層との間を充填する前記低屈折率層によるスロット導波路として構成されたものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記複数の凹部の各々は前記所定の方向と交差する方向に予め定められた長さを有し、前記予め定められた長さによって前記回折部の回折効率を設定するものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記予め定められた長さが、前記入力端から前記所定の方向に沿って漸増する長さとされているものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記入力光を入力する単一モード導波路と、前記単一モード導波路と前記入力端との間に接続されると共に単一モードの光をスロットモードに変換するモード変換部と、をさらに含むものである。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の発明において、前記高屈折率層の温度特性と前記低屈折率層の温度特性とが反対の特性となっているものである。

上記目的を達成するために、請求項７に記載の回折格子アレイは、前記所定の方向と交差する方向に隣接して配置された複数の請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の回折格子を含むものである。

上記目的を達成するために、請求項８に記載の光フェーズドアレイは、前記入力光を入力する入力導波路と、前記入力導波路に接続されると共に前記入力光を複数に分岐した複数の分岐光の各々を出力する複数の出力端を有する分岐部と、前記複数の出力端の各々に接続された複数の変調導波路、及び前記複数の変調導波路の各々の近傍に設けられた複数の加熱部を備え、前記複数の加熱部の各々によって前記複数の変調導波路の各々を加熱して前記複数の分岐光の各々の位相を変調する位相変調部と、複数の前記入力端の各々が前記複数の変調導波路の各々と接続された請求項７に記載の回折格子アレイと、を含み、前記位相変調部によって前記複数の分岐光の各々の位相を変えることにより放射される光の進行方向を制御するものである。

上記目的を達成するために、請求項９に記載の回折格子は、支持層と、前記支持層に平行な所定の方向に沿って前記支持層に至る深さで形成された複数の孔部を備え、かつ前記支持層上に形成された第１の屈折率を有する高屈折率層であって、前記複数の孔部の一方の末端の孔部に隣接する、前記複数の孔部の配列方向の前記高屈折率層の一端を入力端とし、前記入力端から入力された入力光を前記複数の孔部に沿って前記所定の方向に導波する導波路を構成する高屈折率層と、前記高屈折率層を覆うと共に前記複数の孔部を充填するように形成された前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する低屈折率層と、を備える回折構造体を含み、前記回折構造体が、前記入力光を回折させて出力光として放射させる回折部を構成するものである。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、前記複数の孔部の各々は前記所定の方向と交差する方向に予め定められた長さを有し、前記予め定められた長さによって前記回折部の回折効率を設定するものである。

上記目的を達成するために、請求項１１に記載の回折格子アレイは、前記所定の方向と交差する方向に隣接して配置された複数の請求項９または請求項１０に記載の回折格子を含むものである。
上記目的を達成するために、請求項１２に記載の光フェーズドアレイは、前記入力光を入力する入力導波路と、前記入力導波路に接続されると共に前記入力光を複数に分岐した複数の分岐光の各々を出力する複数の出力端を有する分岐部と、前記複数の出力端の各々に接続された複数の変調導波路、及び前記複数の変調導波路の各々の近傍に設けられた複数の加熱部を備え、前記複数の加熱部の各々によって前記複数の変調導波路の各々を加熱して前記複数の分岐光の各々の位相を変調する位相変調部と、複数の前記入力端の各々が前記複数の変調導波路の各々と接続された請求項１１に記載の回折格子アレイと、を含み、前記位相変調部によって前記複数の分岐光の各々の位相を変えることにより放射される光の進行方向を制御するものである。

本発明によれば、グレーティングローブの発生が抑制されると共に、製造が容易な回折構造体を用いた回折格子、回折格子アレイ、及び光フェーズドアレイを提供することができるという効果を奏する。

第１の実施の形態に係る回折格子の構成の一例を示す平面図、斜視図、及び断面図である。 第１の実施の形態に係る回折格子における光の伝播のシミュレーション結果を示す図である。 第１の実施の形態に係る回折格子の製造方法の一例を示す断面図である。 第１の実施の形態に係る単一モード入力回折格子の一例を示す平面図である。 第１の実施の形態に係る回折格子における結合効率の調整について説明する平面図である。 第２の実施の形態に係る回折格子アレイの構成の一例を示す平面図である。 第３の実施の形態に係る光フェーズドアレイの構成の一例を示す平面図である。 第４の実施の形態に係る回折格子の構成の一例を示す平面図である。 第４の実施の形態に係る回折格子における結合効率の調整について説明する平面図である。 第４の実施の形態に係る回折格子の他の形態を示す平面図である。 第５の実施の形態に係る光変調器の、（ａ）は全体の平面図、（ｂ）は回折部の平面図、（ｃ）は回折構造体の平面図である。 実施の形態に係るシミュレーションモデルの、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。 実施の形態に係るシミュレーションにおける、（ａ）はバンド構造のシミュレーション結果を示すグラフ、（ｂ）はバンド構造を説明する図である。 実施の形態に係る回折構造体における、（ａ）はスローライトの発生について説明する図、（ｂ）は一般的な導波路の光の進行について説明する図である。 （ａ）は、第６の実施の形態に係るレーザ光源のは平面図、（ｂ）は光フィルタの透過特性を示すグラフ、（ｃ）は光フィルタの平面図（ｄ）は比較例に係るレーザ光源の平面図、（ｅ）はファブリペローモードを示すグラフである。 第６の実施の形態に係るλ／４シフト型の光フィルタを示す平面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１ないし図５を参照して、本実施の形態に係る回折格子１０について説明する。回折格子１０は、本発明に係る回折構造体を回折格子に適用した形態である。図１（ａ）は回折格子１０の平面図を、図１（ｂ）回折格子１０の斜視図を、図１（ｃ）は回折格子１０の図１（ａ）おけるＡ−Ａ’線断面図を示している。図１（ｂ）に示すように、回折格子１０は、Ｓｉ（シリコン）による基板１２（支持層）、Ｓｉで形成された側壁層１６ａ、１６ｂ（高屈折率層）、ＳｉＯ２で形成されたクラッド層１４（低屈折率層）、及び凹部２０ａ、２０ｂ（開口部。以下、総称する場合は「凹部２２」）を含んで構成されている。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、回折格子１０では、対向して配置された２本の側壁層１６ａ、１６ｂ、及び側壁層１６ａと１６ｂとの間に設けられた間隙でスロット導波路が構成され、側壁層１６ａと１６ｂとの間の間隙はクラッド層１４で埋められている。本実施の形態においては、側壁層１６ａ、１６ｂの屈折率はクラッド層１４の屈折率よりも高く設定されている。

一方、側壁層１６ａ、１６ｂの各々の側面には、Ｙ方向に切り欠かれた凹部２０ａ、２０ｂが、Ｘ方向に沿って形成されており、本実施の形態に係る回折格子１０では、この凹部２０ａ、２０ｂによって回折現象が発生する。すなわち、側壁層１６ａと１６ｂとの間の間隙（すなわち、クラッド層１４）の一端から入力された入力光Ｐｉは間隙を透過し、凹部２０ａ、２０ｂにより形成された回折格子で回折され、出力光Ｐｏとして出力される。

なお、本実施の形態では、凹部２０ａ、２０ｂが相互に繋げられ、連続した開口（連続開口）を形成し、高屈折率層を側壁層１６ａ（第１の層）と１６ｂ（第２の層）とに分離した形態とされている。しかしながら、これに限られず、回折格子１０の入力光Ｐｉが入力される端面と反対側の端面では、側壁層１６ａと１６ｂとが接続された形態としてもよい。

以上のように、回折格子１０では、側壁層１６ａ、１６ｂの光が導波する側の側面に各々凹部２０ａ、２０ｂを設け、回折格子を構成しているので、側壁層１６ａ、１６ｂの凹部２０ａ、２０ｂと反対側の側面Ｓａ、Ｓｂは回折現象に寄与していない。つまり、複数の回折格子１０を隣接して配置しても、回折格子１０同士が光結合することがない。従って、回折格子１０は、Ｙ方向に緻密に配置することができる（図６参照）。

図２に、回折格子１０における光の導波についてのシミュレーション結果を示す。図２は、クラッド層１４内に配置された側壁層１６ａ、１６ｂに対して光を入射させた場合、すなわち図１（ｃ）の断面図において、Ｘ方向に光を入射させた場合の光の分布をシミュレーションした結果を示すものである。図２に示すように、回折格子１０に入射された光は、側壁層１６ａと１６ｂとの間のクラッド層１４に集中し、伝播される。

次に、図３を参照して、回折格子１０の製造方法について説明する。

まず、Ｓｉの基板９０、基板９０上に形成されたＳｉＯ２（ＢＯＸ：Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）層９２、ＳｉＯ２層９２上に形成されたＳｉ層９４を有するＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を準備する。

次に、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いてＳｉ層９４を加工し、側壁層１６ａ、１６ｂを形成する。

次に、Ｓｉ層９４及びＳｉＯ２層９２上に、例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて、ＳｉＯ２層９６を形成する。以上の製造工程によって、本実施の形態に係る回折格子１０が製造される。図３における基板９０、Ｓｉ層９４、及びＳｉＯ２層９６の各々が、図１における基板１２、側壁層１６ａ、１６ｂ、及びクラッド層１４の各々に対応している。

以上のように、回折格子１０の製造方法では、従来技術のようにエッチングによる縦方向（回折格子１０の厚さ方向、図１に示すＺ方向）の加工を伴わず、マスクによる平面（図１に示すＸ−Ｙ平面）内の加工により回折格子の形状が決まるので、製造が簡易であり、かつ再現性よく加工精度を維持することができる。

ここで、回折格子１０はスロット型導波路で形成されているため、通常の導波路、例えば矩形の単一モード導波路との接続について配慮する必要がある。図４は、この点について配慮した単一モード入力回折格子３０を示している。

図４に示すように、単一モード入力回折格子３０は、回折格子１０、モード変換器３２、単一モード導波路３４、及びスロット導波路３６を含んで構成されている。

単一モード導波路３４は、単一モードの光を伝播させる、例えば矩形導波路であり、モード変換器３２側にテーパ状に加工されたテーパ部Ｔを有している。

スロット導波路３６は、回折格子１０の側壁層１６ａ、１６ｂから延伸された凹部２０ａ、２０ｂを有さないスロット導波路である。

モード変換器３２は、単一モードをスロットモードに変換するモード変換素子であり、スロット導波路３６から延伸され、単一モード導波路３４のテーパ部Ｔと対向して両側から挟むように配置された結合部３２ａ、３２ｂを有している。

以上のように構成された単一モード入力回折格子３０では、単一モード導波路３４の一端から入力光Ｐｉが入力されると、回折格子１０において回折され、出力光Ｐｏとして放射される。

次に、図５を参照して、回折格子１０における、回折格子と導波路との結合効率の調整について説明する。本実施の形態に係る回折格子１０では、凹部２０ａ、２０ｂの深さを調整することによって結合効率の調整が可能である。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、回折格子１０の結合効率を変えた形態の一例を示している。

図５（ａ）に示すように、回折格子１０ａは、凹部２２ａ、２２ｂを備え、各凹部の深さがｄ１とされている。同様に、回折格子１０ｂは、凹部２４ａ、２４ｂを備え、各凹部の深さがｄ２とされ、回折格子１０ｃは、凹部２６ａ、２６ｂを備え、各凹部の深さがｄ３とされている。そして、ｄ１＜ｄ２＜ｄ３なる条件を満たしている。この場合、回折格子１０ａの結合効率をηａ、回折格子１０ｂの結合効率をηｂ、回折格子１０ｃの結合効率をηｃとすると、ηａ＜ηｂ＜ηｃとなる。

以上のように、本実施の形態に係る回折格子１０では、凹部２０ａ、２０ｂの深さを調整することによって回折格子と導波路との間の結合効率ηの調整が可能である。凹部２０ａ、２０ｂの深さの加工は、マスクを用いたエッチングによる回折格子１０の平面（図１におけるＸ−Ｙ平面）内の加工であるため、で縦方向（図１におけるＺ方向）の加工に比べて加工が容易であり、しかも精度のよい加工が可能である。従って、出力光Ｐｏの放射パターンの制御、あるいはグレーティングローブの抑制の程度等を精度よく設計することができる。

また、回折格子においては、光の伝播方向（図１の＋Ｘ方向）に沿って回折効率を調整したい場合がある。すなわち、回折格子においては、一般に回折格子を伝播するに従って光強度が低下していく。従って、回折格子から均一な出力光を出射させるためには、光の伝播方向に沿って回折効率を大きくしていくことが望ましい。このような場合においても、本実施の形態に係る回折格子１０によれば、凹部２２の深さを調整することで、すなわち回折格子の厚さ方向ではなく、平面内の加工という簡易な製造方法によって回折効率の調整が可能である。従って、回折効率の分布を容易に設定することが可能な回折格子を提供することができる。

以上、詳述したように、本実施の形態に係る回折格子によれば、グレーティングローブの発生が抑制されると共に、製造が容易な回折格子を提供することが可能となる。

［第２の実施の形態］
図６を参照して、本実施の形態に係る回折格子アレイ５０について説明する。回折格子アレイ５０は、本発明に係る回折構造体を回折格子アレイに適用した形態である。回折格子アレイ５０は、上記の単一モード入力回折格子３０を複数（本実施の形態では、１０）配置して形成されたものである。

図６に示すように、回折格子アレイ５０は、単一モード入力回折格子３０−１ないし３０−１０が平行に配置されて構成されている。単一モード入力回折格子３０−１ないし３０−１０の各々は、上述した単一モード入力回折格子３０と同じものなので、同様の構成には同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。

上術したように、本実施の形態に係る単一モード入力回折格子３０−１ないし３０−１０の各々は、素子間隔ｄ０を小さくして配置することができるので、グレーティングローブの発生を抑制することができる。本実施の形態に係る回折格子アレイ５０における素子間隔ｄ０の具体的な値は、一例として約１．２μｍである。回折格子アレイ５０では、上記した理由により、回折格子をこのように緻密に配列してもグレーティングローブの発生を効果的に抑制することができる。

以上、詳述したように、本実施の形態に係る回折格子アレイによれば、グレーティングローブの発生が抑制されると共に、製造が容易な回折格子アレイを提供することが可能となる。

［第３の実施の形態］
図７を参照して、本実施の形態に係る光フェーズドアレイ６０について説明する。光フェーズドアレイ６０は、本発明に係る回折構造体を光フェーズドアレイに適用した形態である。光フェーズドアレイ６０は、上記の回折格子アレイ５０を光フェーズドアレイに適用した形態である。

図７に示すように、光フェーズドアレイ６０は、回折格子アレイ５０、位相変調器６１、ＭＭＩ（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：多モード干渉）カプラ６２、及び入力導波路６６を備えて構成されている。

入力導波路６６は、入力光Ｐｉを入力させる、例えば単一モードの矩形導波路である。

ＭＭＩカプラ６２（分岐部）は、入力された単一モードの光を、多モード干渉によって複数の出力（本実施の形態では、１０）に分岐する素子である。ＭＭＩカプラ６２で分岐された各伝播光は、導波路６８−１ないし６８−１０（以下、総称する場合は「導波路６８」）を伝播する。

導波路６８−１〜６８−１０（変調導波路）の各々は、回折格子アレイ５０の単一モード導波路３４−１〜３４−１０の各々に接続されている。

位相変調器６１は、導波路６８−１〜６８−１０、及び導波路６８−１〜６８−１０の各々の上部に配置されたヒータ６４−１〜６４−１０（以下、総称する場合は「ヒータ６４」）を備え、熱光学効果型の位相変調器として構成されている。熱光学効果とは、温度を上げると屈折率が変化する性質であり、位相変調器６１では、ヒータ６４（加熱部）により導波路６８に熱を付与し、導波路６８の屈折率を変化させる。導波路６８の屈折率が変化すると導波路の等価的な光路長が変化するので、導波路６８を伝播する伝播光の位相を変化させることができる。

図７では図示を省略しているが、ヒータ６４−１〜６４−１０の各々は、流れる電流を独立して設定可能なように構成されており、発熱量を個別に設定することが可能となっている。つまり、導波路６８−１〜６８−１０の各々を伝播する伝播光の位相を独立して設定可能となっている。

一方、回折格子アレイ５０からの出力光Ｐｏの伝播方向は、導波路６８−１〜６８−１０の各々を伝播する伝播光の位相をつないだ波面によって定まる。従って、上記のように構成された位相変調器６１では、出力光Ｐｏの伝播方向に応じて導波路６８−１〜６８−１０の各々を伝播する光の位相を個別に調整し、出力光Ｐｏをスキャン（走査）することが可能となっている。

以上、詳述したように、本実施の形態に係る光フェーズドアレイによれば、グレーティングローブの発生が抑制されると共に、製造が容易な光フェーズドアレイを提供することが可能となる。

［第４の実施の形態］
図８ないし図１０を参照して、本実施の形態に係る回折格子７０及び回折格子８０について説明する。回折格子７０及び８０は、回折格子として作用する部位を凹部として形成する代わりに、孔部として形成する形態である。

図８（ｂ）に示すように、回折格子７０は、Ｓｉによる基板７４、基板７４上に形成されたＳｉＯ２層７８、ＳｉＯ２層７８上に形成されたＳｉによる側壁層７６を含んで構成されている。図示を省略するが、回折格子７０も、回折格子１０と同様側壁層７６を覆うクラッド層を有している。図８（ａ）、（ｂ）に示すように、側壁層７６には、所定の方向に配列させて形成された複数の孔部（開口部）７２が形成されており、この孔部７２が回折格子の作用を発揮する。すなわち、回折格子７０の一端から入力された入力光Ｐｉは、回折格子７０を伝播しつつ回折されて、出力光Ｐｏとして放射される。

回折格子７０も、上記の回折格子１０と同様、側壁層７６の内部に孔部７２が形成されており、側壁層７６の孔部７２が形成された側とは反対の側面Ｓａ、Ｓｂは回折現象とは無関係であるので、複数の回折格子７０を隣接して配置しても隣り合う回折格子７０同士が光結合することはない。従って、回折格子７０を緻密に配列した場合でも、グレーティングローブの発生が抑制される。

図９は、回折格子７０における回折格子と導波路との結合効率ηの調整方法を示している。図９（ａ）に示すように、回折格子７０の孔部７２の幅をｄ４とする。このとき、図９（ｂ）に示す回折格子７０ａのように、孔部７２の幅をｄ５（＞ｄ４）と長くすることによって、回折格子７０の結合効率と比較した回折格子７０ａの結合効率を大きくすることができる。

なお、回折格子７０は、図３によって説明した回折格子１０の製造方法と同様の製造方法によって製造することができる。

また、本実施の形態では、孔部７２の形状を矩形とする形態を例示して説明したが、これに限られず、例えば円形、あるいは楕円形等とする形態としてもよい。図１０は、孔部７２の形状を円形とする形態を示している。

以上のように、本実施の形態に係る回折格子によっても、グレーティングローブの発生が抑制されると共に、製造が容易な光フェーズドアレイを提供することが可能となる。

［第５の実施の形態］
以下、図１１ないし図１４を参照して、本実施の形態に係る光変調器１００について説明する。光変調器１００は、本発明に係る回折構造体を光変調器に適用した形態である。
図１１（ａ）に示すように、本実施の形態に係る光変調器１００は、回折部１５０、電極１０４−１、１０４−２、１０４−３、１０４−４を含んで構成されている。光変調器１００は、図１に示す回折格子１０と同様、図示しない基板上に形成されている。

図１１（ｂ）は回折部１５０の詳細を示している。図１１（ｂ）に示すように、回折部１５０は、回折構造体１１４、スロット導波路１１２−１、１１２−２、モード変換器１１０−１、１１０−２、単一モード導波路１０６−１、１０６−２を含んで構成されている。モード変換器１１０−１、１１０−２は、各々結合部１１６を備えている。スロット導波路１１２−１、１１２−２、モード変換器１１０−１、１１０−２、単一モード導波路１０６−１、１０６−２、結合部１１６の機能は、各々図４に示すスロット導波路３６、モード変換器３２、単一モード導波路３４、結合部３２ａ、３２ｂと同様なので、詳細な説明を省略する。

図１１（ｃ）は、回折構造体１１４の詳細を示している（図１１（ａ）に符号Ａで示す破線円で囲まれた部分）。図１１（ｃ）に示す＜１＞は回折構造体１１４の平面図を、＜２＞は側面図を各々示している。図１１（ｃ）に示すように、回折構造体１１４は側壁層１０２、凹部１１８を備え、周囲がＥＯポリマ１２０で覆われている。

再び図１１（ａ）を参照し、図１１（ａ）に示す電極１０４−１〜１０４−４は、各々結合部１１６に接続されている。光変調器１００を動作させる場合には、電極１０４−１と１０４−２との間、及び電極１０４−３と１０４−４との間に電源および変調信号を印加する。電極１０４−１と１０４−２との間における側壁層１０２（モード変換器１１０−１、１１０−２、スロット導波路１１２−１、１１２−２、回折構造体１１４）には不純物が添加されており、電極１０４−１と１０４−２との間で電流を流すことができる。
電極１０４−３と１０４−４との間も同様である。すなわち、光変調器１００では、側壁層１０２が電極の一部を構成している。

本実施の形態に係る光変調器１００は、一方の単一モード導波路１０６−１から入射された入力光Ｐｉを位相変調し、他方の単一モード導波路１０６−２から出力光Ｐｏとして出力させる。その際、回折構造体１１４が位相変調の作用を奏する。光変調器１００を伝播する光は、側壁層１０２の屈折率よりも低い屈折率を有するＥＯポリマ１２０によって閉じ込められる。

このように、本実施の形態に係る光変調器１００は、図１に示す回折格子１０と同じ構造を有しているが、回折格子１０のように出力光Ｐｏを外部に向けて放射せず、単一モード導波路１０６−１から１０６−２まで閉じ込めて伝送する。この理由を以下に説明するが、以下では、外部に向けて放射されるモードを「放射モード」、内部に閉じ込められて伝播するモードを「導波モード」という。

図１２ないし図１４を参照して、本発明に係る回折構造体が、回折格子、光変調器、あるいは後述する光フィルタとして使い分けられる理由を説明する。

図１２（ａ）は、本発明に係る回折格子、光変調器、光フィルタに共通する構成である回折構造体９００の斜視図を、（ｂ）は平面図を、（ｃ）は側面図を各々示している。図１２（ａ）に示すように、回折構造体９００は、側壁層９０２−１、９０２−２、凹部９０４−１、９０４−２を備え、図示しない基板上に形成されている。また、回折構造体９００は、側壁層９０２−１、９０２−２の屈折率よりも低い屈折率を有する媒質（図示省略）で覆われている。本実施の形態では、該媒質をクラッド層と称する。側壁層９０２−１、９０２−２、クラッド層の材料は特に限定されないが、本実施の形態では、一例として側壁層９０２−１、９０２−２をＳｉで、クラッド層をＳｉＯ２で各々形成している。

回折構造体９００が放射モードを発現する場合（回折格子として機能する場合）と、導波モードを発現する場合（光変調器、あるいは光フィルタとして機能する場合）の分岐点についてシミュレーションによって検討した。図１２（ｂ）はそのシミュレーションモデルの平面図を、図１２（ｃ）は側面図を各々示している。図１２（ｂ）、（ｃ）では、ａを固定値として回折構造体９００の光の進行方向に直交する外側の幅をａ、内側の幅を０．２ａとしている。すなわち、回折構造体９００の外側の幅と内側の幅との比を５：１としている。また、凹部９０４−１、９０４−２の幅を０．５ａとし、周期をａ（すなわち、凹部の間隔が０．５ａ）としている。さらに、回折構造体９００の厚さは０．５ａとしている。

図１２（ｂ）、（ｃ）に示すシミュレーションモデルを用いてシミュレーションした結果、回折構造体９００に伝搬させる光の波長を１．５μｍとしたとき、ａ＜０．５４μｍで導波モードが支配的となり、光変調器、あるいは光フィルタに好適に用いることが可能であることがわかった。一方、ａ＞０．５４μｍでは放射モードとなり、回折格子として好適に用いることが可能であることがわかった。

図１３（ａ）に上記シミュレーションの結果の一例を示す。図１３（ａ）は、図１２（ｂ）、（ｃ）に示す回折構造体９００のバンド構造をシミュレーションした結果である。
まず、図１３（ｂ）を参照して、一般的なバンド構造（フォトニックバンド構造）について説明する。バンド構造は、横軸に波数、縦軸に周波数をとり特定の光伝搬構造体の分散特性を示した図である。図１３（ｂ）の曲線Ｃ１、Ｃ２が分散特性を表している。

曲線Ｃ２に対する接線である直線Ｌは、空気のライトラインを表している。ライトラインＬは、特定の光伝搬構造体が放射特性を示すか、導波モードを示すかの分岐点となる直線である。すなわち、ライトラインＬの左側（上側）に位置する分散特性Ｃ１の領域Ａ１では放射特性を示し、ライトラインＬの右側（下側）に位置する分散特性Ｃ１の領域Ａ２では導波特性を示す。従って、領域Ａ１は主として回折格子として用いることができ、領域Ａ２は主として光変調器、光フィルタとして用いることができる。

バンド構造のシミュレーション結果を示す図１３（ａ）において、ＴＥ、ＴＭで示す曲線が各々ＴＥモード、ＴＭモードに対する分散特性である。図１３（ａ）では、ライトラインＬ、バンドギャップＢＧを併せて示している。ここで、ＴＥモードに着目すると、ライトラインＬとＴＥモードの分散特性の交点Ｐを境界とし放射モードと導波モードが切り替わる。交点Ｐにおけるａ／λはａ／λ＝０．３６である。ただし、λは回折構造体９００を伝搬する光の波長である。いまλ＝１．５μｍとすると、ａ＝０．３６・λ＝０．３６×１．５＝０．５４（μｍ）となるので、回折構造体９００は、ａ＜０．５４μｍでは導波モード支配的となり、主として光変調器、光フィルタに適した特性となる。一方ａ＞０．５４μｍでは放射モードが支配的となり、主として回折格子に適した特性となる。

一方、曲線Ｃ２が横軸に平行に近づく領域、すなわち曲線Ｃ２の微分値が０に近づく領域である領域Ａ３では回折構造体９００を伝搬する伝搬光に対して超低速な光であるスローライトが発生する。図１４を参照して、回折構造体９００でスローライトが発生する理由を説明する。図１４（ａ）は、本実施の形態に係る回折構造体９００を伝搬する光の様子を示しており、左側から入力した光線Ｌ１が回折構造体９００の内部で反射を繰り返し、右側から出力している。このとき、回折構造体９００の凹部９０４−１、９０４−２が微細構造を形成していることに起因して、入射した光線Ｌ１の一部が光線Ｌ２として入力側に押し戻される。回折構造体９００では、この往復、ジグザグ進行を繰り返すので、光の進行が極めて遅くなる。これが、回折構造体９００でスローライトが発生する理由である。

図１４（ｂ）は、回折構造体９００と比較のために示した一般的な導波路であり、例えばＳｉによるコアを図示しないＳｉＯ２のクラッド層で覆った構造を有している。図１４（ｂ）に示すように、一般的な導波路の場合は入力した光線Ｌ３は反射を繰り返しそのまま出力される。従って、光線Ｌ３の進行速度は変化しない。

図１１（ｃ）に示す回折構造体１１４も、基本的に上述の回折構造体９００と同様の機能を有し、同様の作用を示す。そして、例えば適用波長を１．５μｍとし、図１２（ｂ）、（ｃ）に示すａの値が０．５４μｍより小さくされている。従って、本実施の形態に係る光変調器１００によれば、スロット導波路を有する回折構造体１１４により伝搬光を狭い範囲に閉じ込めることができ、さらにスローライト効果により非線形効果が増大する。
その結果、変調効率が増大するので、非常に短い長さで光変調器を構成することができる。そのため、変調用の電極の長さ、すなわち、電極１０４−１から電極１０４−２まで長さ、あるいは電極１０４−３から電極１０４−４までの長さも短くすることができ、必ずしも進行波型電極を採用する必要もなく集中定数型で十分なので周波数特性も改善し、高周波で動作させることができる。

なお、本実施の形態では本発明に係る回折構造体を位相変調器に適用した形態を例示して説明したが、これに限られず、ＭＺ（Ｍａｃｈ Ｚｅｈｎｄｅｒ：マッハツェンダ）型の光変調器に適用してもよい。この場合はＭＺ型変調器の２つのアームの各々に本実施の形態に係る光変調器１００を配置すればよい。

［第６の実施の形態］
図１５及び図１６を参照して、本実施の形態に係る光フィルタ２０２、及びレーザ光源２００について説明する。本実施の形態は、本発明に係る回折構造体を光フィルタ２０２に適用し、光フィルタ２０２をレーザ光源２００の一部に用いた形態である。

図１５（ａ）に示すように、本実施の形態に係るレーザ光源２００は、基板２１４上に形成された光フィルタ２０２、導波路２０６、２０８、ヒータ２１２、導波路２０８の端面に設けられたハーフミラー（半透過鏡）２２６、及びＳＯＡ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：半導体光増幅器）２０４を含んで構成されている。レーザ光源２００では、ＳＯＡ２０４の後端面２２８とハーフミラー２２６との間で共振器が構成され、該共振器の共振周波数で発振する。その際、バンドパスフィルタである光フィルタ２０２によって帯域が制限されて、レーザ光源２００は狭線幅光源として機能する。また、ヒータ２１２によって発振周波数が可変とされている。

ＳＯＡ２０４は、レーザ光源２００の発振光を生成するための光源であり、ＳＯＡ２０４の出力端は導波路２０６と光結合されている。上述したように、ＳＯＡ２０４は光の出射側とは反対側の後端面２２８が反射面とされており、後端面２２８がハーフミラー２２６とともに共振器の反射端面となっている。ＳＯＡ２０４の出射端と対向する導波路２０６には、該出射端における光のスポットサイズと導波路２０６のスポットサイズの違いを調整するスポットサイズ変換器を設けてもよい。

ヒータ２１２は、導波路２０８上に配置され、導波路２０８に熱を付与して導波路２０８の屈折率を変化させるように構成されている。導波路２０８に熱を付与することにより導波路２０８の屈折率が変化し、その結果上述した共振器の等価的な共振器長が変化するので、レーザ光源から出力される出力光Ｐｏの波長を変化させることができる。なお、導波路２０８の屈折率を変える構成はこれに限られず、例えば電流注入型、電圧印加型、キャリアプラズマ効果型等他の屈折率可変構造を用いてもよい。

本実施の形態に係る導波路２０６、２０８は例えば矩形状の断面構造を有した単一モードで構成されている。しかしながら、これに限られずスロット導波路で構成してもよい。
この場合は後述のモード変換器２２１−１、２２１−２は不要である。

光フィルタ２０２は、図１５（ｃ）に示すように、回折構造体２３０、モード変換器２２１−１、２２１−２が形成された側壁層２２０、及び単一モード導波路２２２−１，２２２−２を含み、図１１に示す回折部１５０と同様の構造となっている。従って、各部の詳細な機能の説明は省略する。光フィルタ２０２は、導波路２０６と２０８との間に配置され、導波路２０６、２０８を伝搬する光の帯域を制限している。

図１５（ｄ）に、光フィルタ２０２を有しない比較例に係るレーザ光源５００を示す。
図１５（ｄ）に示すように、レーザ光源５００は、基板５１０上に形成された導波路５０４、ヒータ５０８、導波路５０４の端面に設けられたハーフミラー５０６、ＳＯＡ５０２を備えている。レーザ光源５００では、ハーフミラー５０６とＳＯＡ５０２の後端面５１２とを共振端面とする共振器が構成されている。図１５（ｅ）はレーザ光源５００から出射される出力光Ｐｏの波長特性を、横軸に波長λ、縦軸に光強度Ｉをとって示している。
図１５（ｅ）に示すように、レーザ光源５００では、上記共振器により多数のファブリペローモードが発生し、ヒータ５０８で波長の調整が行われる。

一方、図１５（ｂ）は本実施の形態に係るレーザ光源２００から出射される出力光Ｐｏの波長特性を示している。図１５（ｂ）に破線で示す曲線Ｃ３が光フィルタ２０２の透過特性を示している。すなわち、光フィルタ２０２はハーフミラー２２６と後端面２２８による共振器で生成されたファブリペローモードの帯域を制限し、多数のファブリペローモード中の特定の波長が選択されるように（特定の波長の透過損が少なくなるように）構成されている。また、選択される特定の波長は、ヒータ２１２で変えられるように構成されている。これは、一般にレーザ発振においては損失が少なく利得が高いモードが、他のモードのキャリアも消費して優先的に発振することによる。

図１６を参照して、光フィルタ２０２の変形例である光フィルタ２０２Ａについて説明する。光フィルタ２０２Ａは、回折構造体以外の部分は光フィルタ２０２と同様なので、回折構造体の部位を中心に説明する。

図１６に示すように、光フィルタ２０２Ａでは、回折構造体２３０に代えて回折構造体２３０Ａを備えている。回折構造体２３０では、図１１（ｃ）に示すように、一定の幅の凹部１１８を一定のピッチで配列していたが、本実施の形態では、凹部の幅、あるいは凹部の配列ピッチの一部を変えている。図１６に示すように、回折構造体２３０Ａでは、他の部分ではａ／２である凹部の幅の一部をａに変えている。このような構造は一般にλ／４シフトと称され、光フィルタの透過特性の制御をより厳密に行うことができる。本実施の形態に係る光フィルタは、側壁層２２０−１、２２０−２に対し横方向（基板と平行な方向）に凹部を設ける形態を採用しているので、従来技術と比較してλ／４シフト構造の形成がより容易であり、アポタイゼーション（一般に、回折格子のピッチを変えてバンド幅を制御することをいう）による制御をより容易に行える構成となっている。

以上の構成を有するレーザ光源２００では、極めてスペクトル幅の狭い狭線幅光源を実現している。また、レーザ光源２００では発振光の経路をスロット導波路によって構成し、発振光が該スロット導波路のスロット領域（図１５（ｃ）に示す光フィルタ２０２の２つの側壁層２２０の間）を通過するように構成されている。スロット部分は、側壁層２２０と比較して非線形光学効果が生じにくい材料、例えばＳｉＯ２で充填されているので比較的高い光パワーを通過させることができ、レーザ光源の高出力化が可能となっている。
また、より高出力としたい場合は、２つの側壁層の間隔をさらに離間させ、スロットの幅を拡大するようにしてもよい。

なお、上記各実施の形態では、側壁層を構成する材料、及び側壁層を覆うクラッドの材料の温度特性については触れなかったが、これらの温度特性を勘案した構成を採用してもよい。すなわち、側壁層を構成する材料の温度特性と、側壁層を覆うクラッドの材料の温度特性とが反対の特性となるように各材料を選択してもよい。この場合、本発明に係る各回折構造体の温度特性を改善する（温度依存性を抑制する）ことができ、例えば温度依存性の少ないレーザ光源を実現することができる。

１０ 回折格子
１２ 基板
１４ クラッド層
１６ａ、１６ｂ 側壁層
２０ａ、２０ｂ 凹部
２２ａ、２２ｂ 凹部
２４ａ、２４ｂ 凹部
２６ａ、２６ｂ 凹部
３０、３０−１〜３０−１０ 単一モード入力回折格子
３２ モード変換器
３２ａ、３２ｂ 結合部
３４、３４−１〜３４−１０ 単一モード導波路
３６ スロット導波路
５０ 回折格子アレイ
６０ 光フェーズドアレイ
６１ 位相変調器
６２ ＭＭＩカプラ
６４、６４−１〜６４−１０ ヒータ
６６ 入力導波路
６８、６８−１〜６８−１０ 導波路
７０ 回折格子
７２ 孔部
７４ 基板
７６ 側壁層
７８ ＳｉＯ２層
８０ 回折格子
９０ 基板
９２ ＳｉＯ２層
９４ Ｓｉ層
９６ ＳｉＯ２層
１００ 光変調器
１０２−１、１０２−２ 側壁層
１０４−１、１０４−２、１０４−３、１０４−４ 電極
１０６−１、１０６−２ 単一モード導波路
１１０−１、１１０−２ モード変換器
１１２−１、１１２−２ スロット導波路
１１４ 回折構造体
１１６ 結合部
１１８ 凹部
１２０ ＥＯポリマ
１５０ 回折部
２００ レーザ光源
２０２、２０２Ａ 光フィルタ
２０４ ＳＯＡ
２０６、２０８ 導波路
２１２ ヒータ
２１４ 基板
２２０、２２０−１、２２０−２ 側壁層
２２１−１、２２１−２ モード変換器
２２２−１、２２２−２ 単一モード導波路
２２４−１、２２４−２ 凹部
２２６ ハーフミラー
２２８ 後端面
２３０、２３０Ａ 回折構造体
５００ レーザ光源
５０２ ＳＯＡ
５０４ 導波路
５０６ ハーフミラー
５０８ ヒータ
５１０ 基板
５１２ 後端面
９００ 回折構造体
９０２−１、９０２−２ 側壁層
９０４−１、９０４−２ 凹部
Ｌ ライトライン
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 光線
ＢＧ バンドギャップ
Ｐｉ 入力光
Ｐｏ 出力光
Ｓａ、Ｓｂ 側面
Ｔ テーパ部
η、ηａ、ηｂ、ηｃ 結合効率

Claims (12)

1. 支持層と、
   前記支持層に平行な所定の方向に沿い互いに平行に予め定められた間隔の空間を設けて前記支持層上に形成されると共に、各々第１の屈折率を有する第１の層及び第２の層を備え、かつ前記支持層上の前記第１の層の一端と前記第２の層の一端との間の間隙を入力端とすると共に前記第１の層の他端と前記第２の層の他端が接続され、前記入力端から入力された入力光を前記支持層上の前記空間に沿って前記所定の方向に導波する導波路を構成する高屈折率層であって、前記第１の層及び前記第２の層の各々は、前記所定の方向に沿って形成されると共に前記所定の方向と交差する方向に前記支持層に至る深さで切り欠いた複数の凹部を備え、前記第１の層の凹部の各々の開放された側と前記第２の層の凹部の各々の開放された側とが前記入力光の光路に対して対向する位置に配置された高屈折率層と、
   前記高屈折率層を覆うと共に前記空間を充填するように形成された前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する低屈折率層と、を含み、
   前記第１の層の複数の凹部と前記第２の層の複数の凹部とによって前記入力光を回折させて出力光として放射させる回折部を構成する
   回折格子。
2. 前記導波路は、前記第１の層、前記第２の層、及び前記第１の層と前記第２の層との間を充填する前記低屈折率層によるスロット導波路として構成された
   請求項１に記載の回折格子。
3. 前記複数の凹部の各々は前記所定の方向と交差する方向に予め定められた長さを有し、
   前記予め定められた長さによって前記回折部の回折効率を設定する
   請求項１又は請求項２に記載の回折格子。
4. 前記予め定められた長さが、前記入力端から前記所定の方向に沿って漸増する長さとされている
   請求項３に記載の回折格子。
5. 前記入力光を入力する単一モード導波路と、
   前記単一モード導波路と前記入力端との間に接続されると共に単一モードの光をスロットモードに変換するモード変換部と、をさらに含む
   請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の回折格子。
6. 前記高屈折率層の温度特性と前記低屈折率層の温度特性とが反対の特性となっている
   請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の回折格子。
7. 前記所定の方向と交差する方向に隣接して配置された複数の請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の回折格子を含む
   回折格子アレイ。
8. 前記入力光を入力する入力導波路と、
   前記入力導波路に接続されると共に前記入力光を複数に分岐した複数の分岐光の各々を出力する複数の出力端を有する分岐部と、
   前記複数の出力端の各々に接続された複数の変調導波路、及び前記複数の変調導波路の各々の近傍に設けられた複数の加熱部を備え、前記複数の加熱部の各々によって前記複数の変調導波路の各々を加熱して前記複数の分岐光の各々の位相を変調する位相変調部と、
   複数の前記入力端の各々が前記複数の変調導波路の各々と接続された請求項７に記載の回折格子アレイと、を含み、
   前記位相変調部によって前記複数の分岐光の各々の位相を変えることにより放射される光の進行方向を制御する
   光フェーズドアレイ。
9. 支持層と、
   前記支持層に平行な所定の方向に沿って前記支持層に至る深さで形成された複数の孔部を備え、かつ前記支持層上に形成された第１の屈折率を有する高屈折率層であって、前記複数の孔部の一方の末端の孔部に隣接する、前記複数の孔部の配列方向の前記高屈折率層の一端を入力端とし、前記入力端から入力された入力光を前記複数の孔部に沿って前記所定の方向に導波する導波路を構成する高屈折率層と、
   前記高屈折率層を覆うと共に前記複数の孔部を充填するように形成された前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する低屈折率層と、を備える回折構造体を含み、
   前記回折構造体が、前記入力光を回折させて出力光として放射させる回折部を構成する
   回折格子。
10. 前記複数の孔部の各々は前記所定の方向と交差する方向に予め定められた長さを有し、
    前記予め定められた長さによって前記回折部の回折効率を設定する
    請求項９に記載の回折格子。
11. 前記所定の方向と交差する方向に隣接して配置された複数の請求項９または請求項１０に記載の回折格子を含む
    回折格子アレイ。
12. 前記入力光を入力する入力導波路と、
    前記入力導波路に接続されると共に前記入力光を複数に分岐した複数の分岐光の各々を出力する複数の出力端を有する分岐部と、
    前記複数の出力端の各々に接続された複数の変調導波路、及び前記複数の変調導波路の各々の近傍に設けられた複数の加熱部を備え、前記複数の加熱部の各々によって前記複数の変調導波路の各々を加熱して前記複数の分岐光の各々の位相を変調する位相変調部と、複数の前記入力端の各々が前記複数の変調導波路の各々と接続された請求項１１に記載の回折格子アレイと、を含み、
    前記位相変調部によって前記複数の分岐光の各々の位相を変えることにより放射される光の進行方向を制御する
    光フェーズドアレイ。

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