JPH03248105A - 光波長フィルター - Google Patents

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１ 本発明は、波長多重光情報伝送システム等において、光
波の分波もしくは合波を行なう為の光波長フィルターに
関し、特にグレーティング補償型の方向性結合器を用い
た光波長フィルターに関するものである。

［従来の技術］ グレーティングを用いて位相整合を行なう方向性結合器
、いわゆるグレーティング補償型方向性結合器（ｇｒａ
ｔｉｎｇ　　ａｓｓｉｓｔｅｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ
　　ｃｏｕｐｌｅｒ）を用いた光波長フィルターは、波
長選択性が高く、且つ結合長が短いという長所を有して
いる。すなわち、２つの導波光の光電界分布が存在する
領域（結合領域）のいずれかに２つの導波路間の伝搬定
数差を補償するグレーティングが形成されているので、
比較的選択性が高く特定の波長域の光のみを選択して、
導波路間で光パワーを移行しているしかし、フィルター
特性において、第１２図に示す様に、中心波長を含む透
過領域（メインローブ）の両側に、別の透過領域である
サイドローブが無視できない大きさで存在し、波長多重
化された光１２号の波長間クロストークを招いたりして
フィルターの性能を著しく劣化させていた。

［発明が解決しようとする課題］ この様なサイドローブを抑圧する手段として、第１３図
に示す様にグレーティングの山と谷を構成するデユーテ
ィ比（ｔ／Ａ　；　ｔは山の長さ、Δは１周期の長さ）
を、結合領域１００に亙って、成る関数に従って変化な
いしテーパ化することが考えられる。この方法によれば
結合係数が結合領域に亙ってテーパ化され、第１４図に
示す様にサイドローブの抑圧が達せられる。

尚、第１３図において、１０１はＧａＡｓである基板、
１０２はＧａＡｓのバッファ層、１０３はＡ　１　ｏ、
ｓ　Ｇａｏ、ｓ　Ａｓのクラッド層、１０４はＧａＡｓ
とＡ１０．４　Ｇａｏ、ｓ　Ａｓが交互に積層されて多
重量子井戸（ＭＱＷ）とされた第１導波路１０５はＡ　
Ｉ　Ｑ５Ｇａｏ　ｓ　Ａｓのクラッド層、１０６はＧａ
Ａｓと、Ａ　ｔｏ、２　Ｇａｏｓ　Ａｓが交互に積層さ
れてＭ　Ｑ　Ｗとされた第２導波路、１０７はＳ　ｉ　
Ｏｚ膜、１０８は入力光、１０９は非選択圧力光、１１
０は選択出力光である。

しかし、こうした構造において、結合長をより短くしよ
うとしてグレーティング深さを深くすると、第１３図の
第２導波路１０６の実効的層厚がデユーティ比の変化に
よって大幅に変化することになり、この為に所望の波長
の光を選択することが困難になる。つまり、逆に言えば
、結合長を短くするについては、制限がある。

従って、本発明の目的は、上記の課題に鑑み、波長間ク
ロストークが低（結合長が短く８来る光波長フィルター
を提供することにある。

［発明の概要〕 上記目的を達成する本発明では、波長多重化された光信
号の中より特定の光波を波長選択する光波長フィルター
において、前記波長多重化光が入肘する第１の導波路と
、前記特定光波が伝搬あるいは出射される第２の導波路
と、これら第１及び第２の導波路に成立する伝搬モード
が重なり合うないし結合する伸域に形成されたグレーテ
ィングとを具備し、このグレーティングは、高屈折率領
域である山部分と低屈折率領域である谷部分とから１周
期が構成され、この山部分と谷部分の１周期に占める割
合は結合領域に亙って適当な分布で変化し、そして１周
期の長さも結合領域に亙って適当な分布で変化している
。

こうして、結合係数が、特定の波長光に対して、結合領
域に亙って適当な分布（例えば中央部分から光の入射側
と伝搬側に向かって略対称的に変化する分布）で変化す
る様になり、サイドローブが抑えられた良好なフィルタ
ー特性が得られると共に、グレーティング深さが大きい
ときでも良好なフィルター特性が得られる結合係数の分
布を実現できる様になる。

本発明による光波長フィルターの構成では、例えば、基
板に垂直方向に伝搬定数の異なる２つの導波路を形成し
、所望の波長の光に対して、導波路間の光学的結合が生
じる様にグレーティングを形成しているので、所望の波
長の光が第１の導波路から第２の導波路へ移行し、分波
される様になっている。

この際、グレーティングの形態を結合領域に互って適当
に変化させているので、所望の波長光が良好なフィルタ
ー特性で分波されると共に、結合長を短（すべ（グレー
ティング深さを深（しても、グレーティング形態の工夫
により、フィルタ特性を劣化させることなく所望の波長
の光を分波することができる様になっている。

［実施例］ 第１図は本発明の実施例の構成を示す、同図において、
ＧａＡｓである基板１上に、厚さ０．５μｍのＧａＡｓ
であるバッファ層２、厚さ１．５層ｍのＡ’ｌ　ａ、　
ｓ　Ｇ　ａ　ｏ、　ｓ　Ａ　Ｓであるクラッド層３、Ｇ
ａＡｓ　（３０人）とＡ　ｌ　ｏ、ｓ　Ｇａｏ、ｓ　Ａ
ｓ　（８０人）とが交互に９層ずつ積層されて多重量子
井戸（ＭＱＷ）とされた第１導波路４、厚さ０゜８ｇｍ
のＡ　ｌ　ｏ、ｓ　Ｇ　ａｏ。、Ａｓであるクラッド層
５１、ＧａＡｓ　　（３０人）とＡ　ｌａ　４　Ｇａａ
、ｓ　Ａｓ（６０人）とが交互に５５Ｎずつ積層された
ＭＱＷとその上部のＡｌ２ｏ、＜　Ｇａａ、ｇ　Ａｓ　
（３００人）から成る第２導波路６を分子線エピタキシ
ャル（ＭＢＥ）？ｊにより順に成長させている。

次に、フォトレジストを用いて輻１２ｇｍのストライブ
を形成し、硫酸、過酸化水素水、水の混合液から成るエ
ツチング液により、ＧａＡｓバッファＮ２までウニへ二
をストライブ状にエツチングする。そして、フォトレジ
スト除去後、液相成長法によりＡ　１　ａ、ｓ　Ｇａａ
、ｓ　Ａｓ　７を再成長させ、ストライブを埋め込む、
この際、ストライブ上部はＡ　１０．４　Ｇ　ａａ、ｓ
　Ａ　Ｓ層（第２導波路６の最上層）であるために、　
Ａ　１　ｏ、ｓ　Ｇａａ、ｓ　Ａｓは再成長しない様に
なっている。

続いて、フォトレジストを用いて、上記ストライブと直
交する方向にグレーティングを形成する、そして、同じ
（硫酸、過酸化水素水、水の混合液から成るエツチング
液を用いて、深さ７００人までエツチングし、同深さの
コラゲーションから成るグレーティング８を形成する。

その後、スパッタリング法によりＳ　ｉ　Ｏｚをグレー
ティング８上に成膜する。そして、ウェハー裏面をラッ
ピングしてウニへ−厚をｔｏｏｕｍとし切断し、その切
断したウェハーの入出射端面にＺｒ（Ｌを蒸着し無反射
コーティングとする。

こうして、第１図に示す２つの導波路４．６が積層され
た構造が得られる。

本実施例では、フィルター特性のサイドローブを抑圧す
る為、グレーティング８の結合係数を結合領域に亙って
分布させている。その分布の仕方は、第２図の太い線で
示す様に結合領域（完全結合長りで規格化した値２で示
す）に亙って階段状に変化している。変化態様は、光の
進行方向に沿って、その中央部分から光の入射側及び伝
搬側に向かって略対称的になっている。第２図の細線は
ハミング間数Ｆ　（ｚ）＝１＋０．８５２−ｃｏｓ（２
πｚ　／　Ｌ　）に沿った結合係数を表わしている、太
い線の階段状結合係数は細線に略沿っており、実際上、
同様の効果が得られる。

こうし、た結合係数の分布は、グレーティング８のデユ
ーティ比（ピッチΔの中で山の幅ｔが占める割合ｔ／Δ
）とピッチ八を、特定の選択波長（以下の説明ではえ。

＝０．８３μｍとする）に対して、適当に分布させるこ
とで得られる。

第３図は、グレーティングのデユーティ比ｔ／Δに対し
て、特定の選択波長え。を選択する為のピッチΔとその
ときの結合係数を表わしている。

ピッチはデユーティ比が大きくなると小さくなる傾向に
あり、結合係数はデユーティ比０．８付近で最大となる
。これは次の様に説明される。

デユーティ比を太き（すると、当然、グレーティングの
溝幅（谷の部分）が狭くなり、その為に第２導波路６の
実効的厚さが厚くなり、第２導波路６を伝搬する偶モー
ドの伝搬定数β、？、７０値が大きくなる。第１導波路
４を伝搬する奇モードの伝搬定数なβ。、、とすれば、
偶モードと奇モードの位相整合を実現するグレーティン
グ８のピッチＡは次の式で表わされる。

Δ＝２π／（β、Ｖ、、−β。、４）・・・・　（１）
従って、８．ｗ。が大きくなればピッチＡは小さ（なる
のである。

そこで、第２図の様な結合係数の分布を得る為、第３図
から、所望の結合係数が結合領域の各点で得られるデユ
ーティ比とピッチの組み合わせを選択する。こうした選
択の結果、デユーティ比は、第２図の結合係数の分布を
実現すべく、第４図の如（結合領域に亙って変化してい
る。また、ピッチは第５図の如く結合領域に亙って分布
している。

第６図は、チエ−ナブルな光源からの光を光波長フィル
ターの第１導波路４に導入し第２導波路６からの出力光
強度（入力光の各波長における強度と出力光のそれとの
比をｄＢ単位で表わす結合効率で示す）を測定した結果
を示す、これより、フィルター特性は、サイドローブが
十分に抑圧され、波長間クロストークの低いバンドパス
フィルターが達成されることを示している。

他方、第７図は、第１導波路４からの出力光強度を示し
、中心波長え。のみが透過しないノツチフィルター特性
を示している。

ところで、本実施例ではグレーティング８の深さｇ＝７
００人であったが、例えばグレーティング深さｇが２０
０人の場合では、第８図（ａ）に示す様にデユーティ比
に対してピッチは殆ど一定である。従って、デユーティ
比のみを関数分布させても、結合係数を第２図の如く分
布させられ得て、フィルター特性を良好なものと出来る
。

反対に、第８図（ｂ）はグレーティング深さｇを１００
０人と深くした場合であり、これから分かる様に、深さ
ｇを大きくすると良好なフィルター特性を得る為にはピ
ッチをもテーパ状に分布させる必要がある。

この様に、第１図の実施例では深さｇ＝７００人でピッ
チの分布を考慮し、深さｇ＝２００人ではそれ程ピッチ
の分布を考慮しなくて良いということが分かったが、各
実例において適切なグレーティング深さは、フィルター
を構成する導波路、クラッド層などの層厚、屈折率など
に大きく依存するので、そのグレーティング深さに対応
して。

良好なフィルター特性を得る為のデイ−ティ比やピッチ
の分布を決める必要がある。

逆にいえば、ピッチをも分布させる構成とすれば、結合
長を短くすべくグレーティング深さを太き（しても、ピ
ッチとデユーティ比の分布を適切にして、第２図の如き
良好なフィルター特性を実現する結合係数の分布を実現
することができる。

第９図はグレーティング深さを変化させたときの、結合
長の変化の様子を示している。グレーティング深さが大
きいと結合領域における結合係数が大きくなり、結合長
（導波路間で光パワーを完全に移行させるのに要する導
波路の長さ）が短くなることが分かる。結合長が短いこ
とは、集積化に際して重要な要素であるので、必要に応
じてグレーティング深さを太き（することが要求される
が、本発明によればグレーティング深さが大きい場合で
も、ピッチの分布をテーパー状にすることにより、サイ
ドローブを有効に抑圧することが８来る。

ここで、第１図の実施例の動作を説明しておく、本実施
例の第１導波路４に、波長０．８μｍから０．８６μｍ
に亙って波長多重化された入力光１０が入力結合される
とする。２つの導波路４゜６において成立するモードに
は、偶モードと奇モードがあるが、第１導波路４に入力
された入力光１０は第１導波路４を中心とする奇モード
として伝搬してゆく、このとき、グレーティングの存在
しない領域では奇モードと偶モードは伝書定数が異なる
為、殆ど結合せず独立に近い形で伝搬する、しかし、グ
レーティング８の存在する領域では奇モードの伝搬定数
Ｂ。、（え）と偶モードの伝搬定数β、、、、（１）の
間に上記（１）式の関係が成立すれば波長λの光パワー
の移行が生じる。

こうして光パワーの移行が生じれば、入力光１０が結合
した奇モードの導波光は偶モードの導波光に変換される
。よって、入力光１０は最終的に第２導波路６を伝搬す
る光波となり選択出力光１１として出力される。他の波
長の光はそのまま非選択出力光として第１導波路４から
出力される。

第１０図は結合係数にの分布をガウス関数分布とした場
合のフィルターの第２実施例の概略図を示している。第
１実施例と同様の工程により作成したフィルターについ
て第２導波路２６からの透過スペクトルを測定した結果
を第１１図の実線で示す。均一な結合係数分布（点線で
指示）の場合と比較して２０〜２５ｄＢのサイドローブ
抑圧が得られている。中心波長（え＝Ｏ−８３ｕｍ）と
１００人離れた波長間のクロストークは一３５ｄＢ以上
の値が得られる。

ところで１本発明による光波長フィルターは導波路構造
から成る為、集積化にきわめて好適である。例えば、レ
ーザー構造を利用した光アンプと集積化したノイズフィ
ルターや、集積型の外部共振器型レーザーの内部フィル
ターや、光検出器と一体化したフィルターとしての応用
が考えられるまた、上記実施例は、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系材
料から構成されていたが、勿論、ＩｎＧａＡｓなどの他
のｍ−Ｖ族化合物半導体や、ＣｄＴｅなどの■−■族化
合物半導体や、５ｉｎｓ　、Ｓｉｘ　Ｎ４　、ＬｉＮｂ
０３などから構成することも可能である。

グレーティングの構成される層についても、偶モードと
奇モードの２つの伝搬モードが重なり合う結合領域なら
ばいずれの所にも構成することが出来る。

横方向閉じ込めについても、ストライブ構造の他にリッ
ジを形成する方法や、装荷法など種々適用可能である。

し発明の効果］ 以上説明した如く本発明によれば、グレーティングのデ
ユーティ比と共にピッチを変化させる構成としているの
で、波長間クロストークが低（結合長を短（出来る光波
長フィルターを得ることが出来る。

また、他の素子との集積化にも好適で、例えば光増幅器
、レーザー、光検出器との集積化により高性能化を図る
ことも出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による一実施例の構造を示す図、第２図
は結合領域に亙って関数分布した結合係数を示す図、第
３図はデユーティ比に対するピッチと結合係数の関係の
例を示す図、第４図は結合ｖ域におけるデユーティ比の
配置例を示す図、第５図は結合領域におけるグレーティ
ングピッチの配置例を示す図、第６図は第１図の実施例
のバンドパスフィルター特性を示す図、第７図は同じく
ノツチフィルター特性を示す図、第８図（ａ）、（ｂ）
はデユーティ比に対するピッチと結合係数の関係の他の
例を示す図、第９図はグレーティング深さと結合長の関
係を示す図、第１０図は本発明の第２実施例を説明する
図、第１１図は第２実施例のバンドパスフィルター特性
を示す図、第１２図はテーパ状の結合係数分布を設けな
い光波長フィルターのフィルター特性を示す図、第１３
図はデユーティ比のみをテーパ状にした光波長フィルタ
ーの例を示す図、第１４図は第１３図の例のフィルター
特性の例を示す図である。 ！・・・・・半導体基板、２・・・・・バッファ層、３
．５・・・・・クラッド層、４・・・・・第１導波路、
６．２６−・・・・ＩＪ！２導波路、７・埋込み層、 ・グレーティン グ、 ■ ・入力光、 ・選択 出力光

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、波長多重化された光の中より特定の光波を波長選択
   する光波長フィルターにおいて、前記波長多重化光が入
   射し伝搬する第１の導波路と、前記特定光波が伝搬する
   第２の導波路と、該第１及び第２の導波路に成立する伝
   搬モードが結合する領域に形成されたグレーティングと
   を具備し、該グレーティングは、高屈折率領域である山
   部分と低屈折領域である谷部分とから１周期が構成され
   、該山部分と谷部分の１周期に占める割合が上記結合領
   域に亙ってテーパ状に分布すると共に１周期の長さも上
   記結合領域に亙ってテーパ状に分布している事を特徴と
   する光波長フィルター。 ２、前記第１及び第２の導波路は半導体層が積層された
   形態である請求項１記載の光波長フィルター。