JPH02297505A

JPH02297505A - 導波路型波長フィルタ

Info

Publication number: JPH02297505A
Application number: JP11725789A
Authority: JP
Inventors: Osamu Mikami; 修三上; Yasuhiro Suzuki; 安弘鈴木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1989-05-12
Filing date: 1989-05-12
Publication date: 1990-12-10
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: JP2694011B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、波長多重の光伝送システムあるいは光集積回
路において用いられる急峻な選択特性を有する導波路型
波長フィルタに関するものである。

（従来の技術）波長多重光伝送システムにおいて用いられる導波路型の
可変波長フィルタとしては、従来、半導体をベースとし
た導波路構造に、回折格子あるいは１／４波長位相シフ
ト部を含む回折格子を形成したものや、分布帰、還型半
導体レーザ（ＤＦＢ）を応用したものがある。

動作原理としては、導波路構造に回折格子を形成した場
合、導波路の等価屈折率をＮｔ４ｒ、回折格子の周期を
八とした時、ブラッグの条件λＢ　＝　２　Ｎｅｒｒ　
’−Δ で与えられる、波長λＢの光が選択的に反射されること
を利用している。

また、１／４波長位相シフト部を含む回折格子を形成し
た場合、選択波長光は透過する（文献：Ａｐｐｌｉｅｄ
　　Ｐｈｙｓｉｃｓ　　Ｌｅｔｔｅｒ誌　５３巻８３頁
１９８８年　参照）。

選択波長を可変とするためには、上記等価屈折率Ｎ　ｅ
ｆ’ｒをなんらかの方法で制御すればよい。前者の波長
フィルタでは、ｐ−ｎ接合部を形成し、キャリアを導波
路部に注入することによるプラズマ効果を応用し、同導
波路の屈折率を変化させている。あるいは、逆バイアス
電圧を印加できる構造とし、電気光学効果により、同導
波路部の屈折率を制御することも可能である。

なお、ＤＦＢ型半導体レーザを応用した波長フィルタの
場合も、上記した動作原理と同様である。

（発明が解決しようとする課題）しかし、これらの波長フィルタでは、光の偏波面方向に
よって、選択される光の波長が異なる。

即ち、導波光のＴＥモードあるいはＴＭモードにより、
選択波長が異なっていた。従って、予め入射光の偏波面
を制御する偏向板を必要とするため、構成９ｍ一体化招
くという問題点があった。

また、偏波に依存しない波長フィルタとして、ニオブ酸
リチウム単結晶を用いた開発例がある。

この波長フィルタでは、櫛型電極構造と電気光学効果に
よるＴＥ−７Ｍモード変換器を内蔵している。このため
、比較的大きいバイアス電圧を常時印加する必要があり
、また、波長を可変とするための動作電圧が１００Ｖと
高く、半導体を用いた波長フィルタに比べ、問題点が多
くあった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は、偏波面の方向に依存することがなく、また、
選択波長を可変とすることができる導波路型波長フィル
タを提供することにある。

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するため、請求項（１）では、光を閉じ
込めるコア領域が超格子構造の半導体結晶よりなる第１
のストライプ状光導波路と、コア領域が前記超格子構造
を混晶化した半導体結晶よりなる第２のストライプ状先
導波路とを有し、前記第１のストライプ状先導波路の一
側のクラッド領域が前記第２のストライプ状光導波路の
コア領域にて構成され、かつ、前記第２のストライプ状
先導波路の一側のクラッド領域が前記第１のストライプ
状光導波路のコア領域にて構成されるように一体化形成
してストライプ状光分波領域となし、さらに、前記第１
及び第２のストライプ状光導波路に近接して、それぞれ
等画題折率の関数で与えられる周期を有する回折格子を
配置した。

また、請求項（２）では、ストライプ状光分波領域また
はその近傍にｐ−ｎ接合部を設け、光分波領域へのキャ
リア注入あるいは逆バイアス電圧の印加が有効に行なわ
れるようにした。

（作　用）請求項（１）によれば、ストライプ状光分波領域に入射
された光は、その偏波方向によって自動的に、ＴＥモー
ド光は超格子構造を有する第１のストライプ状先導波路
のコア領域に、７Ｍモード光は混晶構造を有する第２の
ストライプ状光導波路のコア領域に分かれて伝搬される
。即ち、外部からバイアス電圧を印加することなく、入
射光からＴＥモ′−ド光と７Ｍモード光とが空間的に分
波される。

さらに、第１及び第２のストライプ状先導波路に近接し
て配置された固有の周期を有する回折格子により、例え
ば、各ストライプ状光導波路にて同一の波長の光が選択
される。

このように、偏波面別に各節１及び第２のストライプ状
先導波路を分波され、波長が選択された光は、第１及び
第２のストライプ状先導波路を伝搬された後、当該波長
フィルタから出力される。

また、請□求項（２）によれば、ｐ−ｎ接合部を介して
ストライプ状光分波領域にキャリアが注入され、あるい
は逆パイ、アス電界が印加される。これにより、ストラ
イプ状光導波路の屈折率が変化し、選択される光の波長
が変化する。

（実施例）第１図は、本発明による導波路型波長フィルタの第１の
実施例を示す構成図である。第１図において、１は基板
で、例えばＧａＡｓ単結晶より構成されている。２は基
板１上に形成されたバッファ層で、ＧａＡｓ基板１より
低い屈折率を有するＡｇ　Ｇａ　　　Ａｓ（例えば、ｘ
−０，３）より構成ｘ　　　ｌ−ｘされている。

３は第１のストライプ状先導波路（以下、第１ｌ−ｙＡ
ｓ（例えば、ｙｍｏ、ａ　）の１００Ａ程度の薄層の繰
り返し構造とした超格子層から構成されている。

４は第２のストライプ状先導波路（以下、第２の先導波
路という）で、前記第１の先導波路３と同様の超格子層
を後記する方法により破壊した平均Ａｆｉ組成２を有す
るＡ、Ｑ　　Ｇａ　　　Ａｓ（例えｚ　　　１−ｚば、上記と同様に１００Ａ程度の層厚の繰り返しの場合
、ｚ＝０．１５となる）混晶から構成されている。

これらの第１及び第２の先導波路３及び４は、バッファ
層２の上面に形成されており、屈折率はバッファ層２よ
り高屈折率である。

５はストライプ状光分波領域で、第１の先導波路３の一
側のクラッド領域が第２の光導波路４のコア領域にて構
成され、かつ、第２の光導波路４の一伸ｒのクラッド領
域が第１の先導波路３のコア領域にて構成されるように
、第１及び第２の光導波路３及び４を一体化形成して構
成されている。

またその形状は、後記する方法により幅Ｗ（数μｍ）、
高さＨ（数１０００Ａ〜１μｍ）のリッジ型のストライ
プ構造に形成されている。

６は１／４波長位相シフト部付き回折格子で、後記する
方法により第１の光導波路３の上面に形成さ熟ている。

その周期Δ１は、第１の光導波路３の伝搬光に対する等
画題折率をＮ　ｅｒｆ’（Ｔ　Ｅ　）、透過波長をλＢ
とした時、 Δｌ−λＢ／２Ｎｅｒｆ’　　（ＴＥ）で与えられる。

７は１／４波長位相シフト部付き回折格子で、後記する
方法により第２の光導波路４の上面に形成されている。

その周期Ａ２は、第２の光導波路４の伝搬光に対する等
画題折率をＮ　ｅｆＶ（Ｔ　Ｍ　）、透過波長をλＢと
した時、Ａ２−λＢ　／　２　Ｎｅｒｒ　　（ＴＭ）で与えられ
る。

次に、上記構成による導波路型波長フィルタの作製方法
について説明する。

まず、分子線エピタキシィ　（ＭＢＥ）あるいは有機金
属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）などの原子層レベルに膜厚
制御が可能な結晶成長法を用いて、基板１上に、バッフ
ァ層２、続いて超格子層を全面にエピタキシィ成長する
。

次に、第２の光導波路４となる領域のみにＧａイオン注
入、あるいはＳｉＯ□膜の選択的堆積などの処理を施し
た後、高温アニール処理を行ない混晶化させる。ここで
、混晶化とは、不純物を拡散するか、あるいはここで適
用したある種の人為的操作によって、超格子構造が組成
の一様な混晶になることをいう。この混晶化により、超
格子構造に比べてエネルギーギャップが広がる。

次いで、反応性イオンエツチングあるいは湿式エツチン
グなど適当なエツチング方法を採用することにより、上
記した構造パラメータの幅Ｗ及び高さＨを有するストラ
イプ構造を形成する。

次に、電子線露光装置により周期ＡＩ、Ａ２の１／４゛
波長位相シフト部付き回折格子のレジストバタンをそれ
ぞれのりッジ型先導波路の上面に形成した後、反応性イ
オンエツチングにより凹凸状の回折格子とする。

なお、各節１及び第２の光り導波路（３，４）の等画題
折率Ｎｅｌ’ｒ　　（ＴＥ）　、ＮｅｆＴ　　（ＴＭ）
　ハ予備実験により求めておく。また、回折格子とリッ
ジ型構造の形成順は、上記と逆であってもよい。

次に、上記構成による動作を第２図及び第３図に基づい
て順を追って説明する。

第２図は、第１図のストライプ状光分波領域５における
横方向の屈折率分布を示す図である。第２図において、
実線中は偏波方向が基板１面に対して平行なＴＥモード
光の屈折率を、破線■は偏波方向が基板１面に対して垂
直な７Ｍモード光の屈折率をそれぞれ示している。さら
に、Ａ及びＤは空気領域を、Ｂは第２の先導波路４の領
域を、Ｃは第１の光導波路３の領域をそれぞれ示してい
る。

ここで、第１の光導波路３の屈折率をＮｓ、第２の光導
波路４の屈折率をＮａとすると、両者の間には次のよう
な関係があることが知られている。

バンドギャップに相当する波長より長波長、即ち、半導
体結晶に対して透明な光に対し、第２の光導波路４の屈
折率ＮａはＴＥ及び１Ｍモード光に対してほぼ同一であ
る。即ち、Ｎａ　（ＴＥ）−Ｎａ　（ＴＭ）なる関係を満足する。

ところが、第１の先導波路３の屈折率Ｎｓには偏波依存
性があり、次のような関係を満足する。

ＴＥモード光：　Ｎｓ　（ＴＥ）＞Ｎａ　（ＴＥ）１Ｍ
モード光：　Ｎｓ　（ＴＭ）＜Ｎａ　（ＴＭ）また、そ
の屈折率差は約２×１０−３である（光学的性質につい
ては、１９８７年開催の「レーザ電子光学国際会議（Ｃ
Ｌ　Ｅ　Ｏ）での発表論文ＷＱ−４）参照）。

第２図から分かるように、光分波頭域５の横方向の屈折
率分布において、ＴＥモード光に対する屈折率のピーク
値は、第１の先導波路３の領域Ｃにある。一方、１Ｍモ
ード光に対する屈折率のピーク値゛は、第２の光導波路
４の領域Ｂにある。

また、一般に、高屈折率の物質からなるコア領域を、低
屈折率の物質からなるクラッド領域にて囲んだ光導波路
において、光は高屈折率のコア領域を伝搬する特性を有
する。

従って、ストライプ状光分彼領域５に入射された光は、
その偏波方向によって自動的に分波され、ＴＥモード光
は超格子構造部をコア領域とする第１の先導波路３に沿
って伝搬され、Ｔ　Ｍモード光は混晶構造部をコア領域
とする第２の先導波路４に沿って伝搬される。即ち、入
射光からＴＥモード光と１Ｍモード光とが空間的に分波
されることになる。

また、第３図は、ストライプ状光分波頭域５を通過した
後の、光出力分布を示す図である。第３図において、実
線■′はＴＥモード光の出力分布を、破線■°は１Ｍモ
ード光の出力分布をそれぞれ示している。また、Ａ及び
Ｄは空気領域を、Ｂは第２の光導波路４の領域を、Ｃは
第１の先導波路３の領域をそれぞれ示している。

第３図によれば、ＴＥモード光のピーク値は、第１の光
導波路３の領域Ｃの近傍にあり、１Ｍモード光のピーク
値は、第２の光導波路４の領域Ｂの近傍にあることが分
かる。

さらに、第１及び第２の光導波路３及び４のそれぞれの
上面には、ＴＥモード光、１Ｍモード光に対する等画題
折率で決定された周期Ａｌ、　Δ２を有する１／４波長
位相シフト部付き回折格子６及び７が形成されているの
で、各節１及び第２の光導波路３及び４にて同一の波長
の光が選択される。

このように、偏波面別に第１及び第２の光導波路３及び
４にそれぞれ分波され、波長が選択された光は、第１及
び第２の先導波路３及び４を伝搬された後、当該波長フ
ィルタから出力される。

以上説明したように、本第１の実施例によれば、ＴＥ及
び１Ｍモード光を外部バイアス電源によるバイアス電圧
を印加することなく空間的に分離することができるので
、両モード光にて同一の波長を選択することができる。

即ち、偏波面の方向に依存することのない導波路型波長
フィルタを実現している。

第４図は、本発明による導波路型波長フィルタの第２の
実施例を示す構成図である。本第２の実施例では、前記
第１の実施例の構成に加えて、ストライプ状光分波頭域
５の光の伝搬方向における両端に、ストライプ状光導波
路からなる人力部８並びにストライプ状光導波路からな
る出力部９をそれぞれ接続した構成としている。

このような構成においては、当該波長フィルタに入力さ
れた光は、入力部８を伝搬された後、ストライプ状光分
波頭域５に入射される。光分波頭域５に入射された光は
、その偏波面別に分波され、ＴＥモード光は超格子構造
部をコア領域とする第１の先導波路３に沿って伝搬され
、１Ｍモード光は混晶構造部をコア領域とする第２の先
導波路４に沿って伝搬される。

次いで、光分波頭域５を透過した光は、出力部９を伝搬
された後、当該波長フィルタから出力される。

なお、入出力部８及び９を構成するストライプ状先導波
路としては、第１の光導波路３と同様に、超格子構造を
有する先導波路であってもよく、あるいは第２の光導波
路４と同様に、超格子構造を混晶化した混晶化先導波路
であってもよい。それらの作製方法は、前記第１の実施
例において説明した方法と同じである。

本箱２の実施例においても、前記第１の実施例と同様に
、入射光の偏波面の方向に依存しない導波路型波長フィ
ルタを実現している。

また、透過光の波長を電気的に変化させるためには、回
折格子が形成されたストライプ状光分波頭域５またはそ
の近傍にｐ−ｎ接合部を設け、ストライプ状光分波頭域
５にｐ−ｎ接合部を介してキャリアを注入することによ
るプラズマ効果を用いるか、あるいは逆バイアス電圧を
印加することによる電気光学効果を用いることにより、
等価屈折率を変化させればよい。

（発明の効果）以上説明したように、請求項（１）によれば、光を閉じ
込めるコア領域が超格子構造の半導体結晶よりなる第１
のストライプ状先導波路と、コア頃域が前記超格子構造
を混晶化した半導体結晶よりなる第２のストライプ状先
導波路とを有し、前記第１のストライプ状先導波路の一
側のクラッド領域が前記第２のストライプ状光導波路の
コア領域にて構成され、かつ、前記第２のストライプ状
先導波路の一側のクラッド領域が前記第１のストライプ
状先導波路のコア領域にて構成されるように一体化形成
してストライプ状光分波頭域となし、さらに、前記第１
及び第２のストライプ状先導波路に近接して、それぞれ
等価屈折率の関数で与えられる周期を有する回折格子を
配置したので、入射光より、ＴＥモード光及びＴＭモー
ド光を外部バイアス電源によるバイアス電圧を印加する
ことなく空間的に分離することができるため、両モード
光にて同一の波長を選択することができ、偏波面の方向
に依存することのない導波路型波長フィルタを提供でき
る利点がある。。

また、請求項（２）によれば、上記請求項（１）の効果
に加えて、選択波長を可変とすることができる。

従って、本発明による導波路型波長フィルタは、波長多
重の光伝送システムあるいは光集積回路に適用可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による導波路型波長フィルタの第１の実
施例を示す構成図、第２図は第１図のストライプ状光分
波頭域における横方向の屈折率分布を示す図、第３図は
第１図のストライプ状光分波頭域を通過した後の光出力
分布を示す図、第４図は本発明による導波路型波長フィ
ルタの第２の実施例を示す構成図である。図中、１・・・ＧａＡｓ基板、２・・・バッファ層、３
・・第１のストライプ状光導波路、４・・・第２のスト
ライプ状光導波路、５・・・ストライプ状光分波頭域、
６．７・・・１／４波長位相シフト部付き回折格子、８
・・・入力部、９・・・出力部。５：光分尺領域第１の光導波路本発明の第１の実施例を示す構成図第１図 ■′ ９出力部

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光を閉じ込めるコア領域が超格子構造の半導体結
晶よりなる第１のストライプ状光導波路と、コア領域が
前記超格子構造を混晶化した半導体結晶よりなる第２の
ストライプ状光導波路とを有し、前記第１のストライプ状光導波路の一側のクラッド領域
が前記第２のストライプ状光導波路のコア領域にて構成
され、かつ、前記第２のストライプ状光導波路の一側の
クラッド領域が前記第１のストライプ状光導波路のコア
領域にて構成されるように一体化形成してストライプ状
光分波領域となし、さらに、前記第１及び第２のストライプ状光導波路に近
接して、それぞれ等価屈折率の関数で与えられる周期を
有する回折格子を配置したことを特徴とする導波路型波長フィルタ。
（２）前記ストライプ状光分波領域またはその近傍にｐ
−ｎ接合部を設けた請求項（１）記載の導波路型波長フ
ィルタ。