JPH09508723A

JPH09508723A - 無偏向光方向性カプラの波長可調フィルタ／受信器

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Publication number: JPH09508723A
Application number: JP8507668A
Authority: JP
Inventors: ウ・チ
Original assignee: ノーザン・テレコム・リミテッド
Priority date: 1994-08-18
Filing date: 1995-02-22
Publication date: 1997-09-02
Anticipated expiration: 2014-03-10
Also published as: CA2194778C; EP0776491A1; WO1996006372A1; EP0776491B1; US5502783A; DE69512252D1; CA2194778A1; JP2869819B2; DE69512252T2

Abstract

(57)【要約】本発明は、光通信向けの無偏向可調フィルタ／受信器に関するものである。可調フィルタは、方向性カプラとして動作し、中心すなわち給電導波管（３２）、一対の分岐導波管（３４，３６）の３つの導波管からなる。電子光学効果またはフリーキャリア注入のいづれかによって、中心波長のＴＭおよびＴＥ偏向モードを給電導波管（３２）から適切な分岐導波管に結合させる。分離されたモードはそれぞれ独立して検出されるか（４０，４２）、さらに処理をおこなうために位相が再結合される。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称無偏向光方向性カプラの波長可調フィルタ／受信器発明の分野本発明は、光波長可調フィルタ、特に無偏向かつ可調方向性カプラのフィルタ／受信器に関するものである。発明の背景１９９２年４月刊行のIEEE Communications Magazine，vol．30，No.4,第７０〜７８頁のJames A．McEachern，″Gigabit Networking on the Public Transmi ssion Network″では、公衆通信ネットワークの帯域需要は２年毎に２倍になることが指摘された。同期光ネットワーク（SONET）ＯＣ−４８システム（２．４８８Ｇｂ／s）が１９９２年より実用化されているが、これは１９９６年には需要に対応するために１０Ｇｂ／ｓの帯域が必要となることを示唆するものであった。述のJames A．McEachenの文献によると、現在の転送レートは２Ｇｂ／ｓを超えているにも関わらず、シングルモード光ファイバの潜在能力の０．１％のみが使用されている。１２００〜１７００ｎｍの低損失ウィンドウのシングルモードファイバで利用可能な光帯域は６０Ｔｂ／ｓであると報告されている。帯域は最高１０Ｇｂ／ｓまでであることが示されたが、このようなシステムの実際の上限は定かではない。変調レーザおよび光変調器を用いた光送信機は、１０Ｇｂ／ｓ以上の帯域に対応するが、光検知器や電子部品など他のシステム要素が規制要因となっている。シングルモードファイバは既に広く敷設されているため、経済的観点からは、追加的なファイバリンクを確保するよりも既存ネットワークを最大限活用する方が有利である。１０Ｇｂ／ｓの最大可能な帯域内で処理を行う一方で既存のファイバを最大限に活用する方法の一つとして、波長分割多重化（ＷＤＭ）の開発が挙げられる。このプロセスによって、１２００〜１７００ｎｍの低損失ウィンドウ内の帯域レンジが複数の分割波長チャンネルに区分され、各々のチャンネルは１０Ｇｂ／ｓの帯域を有することが可能である。各変調波長キャリヤは送信機側で多重化され、複合信号がシングルモードファイバを通って伝播される。受信器側では、複合信号が単一の波長キャリヤに分離された後に適当な検知器へ転送される。ＷＤＭアクセスネットワークには、少なくとも図１Ａおよび図１Ｂに示される２例がある。図１Ａのネットワークでは、可調レーザを使用して、いくつかの離散的波長チャンネルが生成される。各波長チャンネルは、外部変調器によって変調され、個々の変調チャンネルは、星形カプラを介してファイバ転送のために多重化される。受信側では、単一波長キャリヤは前もって選択された狭帯域フィルタによって分離され、光検知器で読みとられる。図１Ｂに示す第２のネットワークでは、固定された波長レーザによって波長キャリヤが生成される。このようなキャリヤは、外部変調器によって変調され、ファイバ転送のために多重化される。受信器側では、可調フィルタを使用して単一波長キャリヤの分離が行われる。ところで、光ファイバにはランダム偏光特性があるため、受信器側の中心キャリヤ波長に横方向電界ＴＥおよび横方向磁界ＴＭ偏光モードが含まれることになる。一般に、方向性カプラの波長フィルタにおけるＴＥ偏光モードの波長選択結合は、ＴＭ偏光モードのそれと比べて長い波長で起こる。この２つのモードの波長の違いは、３０ｎｍ以上であるため、狭帯域の光フィルタでは両モードを処理することができない。先行技術光波長可調フィルタは先行技術として、例えば１９９３年４月に刊行されたIE EE Photonics Technology Letters，vol．4，No.4のWu et al.,″InCaAsP/Inp v ertical directional coupler Filter with Optimally Designed Wavelength Tu n ability″に開示された方向性カプラがあり、これは電気的に制御される７３ｎｍ以上の調整レンジとおおよそ１．５ｎｍの狭帯域を有する方向性カプラである。しかし、このフィルタは、偏光の影響を受ける。F．Heismann et al.は、１９９４年刊行のApplied physics Letters，vol．64，No．18の第２３３５頁、″po larization-Independent Wavelength Filter Using a Grating-Assisted Vertic al directional Coupler in InP″において、任意の偏光に対応できるように設計されたフィルタを開示している。しかし、このフィルタは調整不可能であり、さらに受動フィルタとしては、無偏向かつ波長に対して選択的であるという性能が、製造欠陥となり易い。したがって、図１Ｂのネットワークを実現するには、無偏向かつ可調なフィルタが必要となる。発明の開示本発明の第１の目的は、光波長が可調フィルタ／受信器を提供することにある。本発明の他の目的は、無偏光かつ光波長可調フィルタ／受信器を提供することにある。本発明のまた他の目的は、無偏向かつ光波長可調方向性カプラのフィルタ／受信器を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、以上のようなフィルタ／受信器を半導体構造中に供給することにある。したがって、本発明の第１の見地によれば、光方向性カプラ波長可調フィルタが提供される。この可調フィルタは、第１の導波管を有し、それは光信号を受信するようにされ、また、光信号はそれを通じて転送される。第２の導波管は、少なくとも第１の導波管に並行する一部の長さを有する。第３の導波管も、少なくとも第１の導波管に並行する一部の長さを有する。さらに、これら導波管と関連して、第１の導波管から第２、第３の導波管に光信号の一部を選択的に結合する手段が設けられる。本発明のさらに詳細な見地によれば、光信号は複数の分離された波長チャンネルからなり、その各々のチャンネルはＴＭおよびＴＥ偏光モードを有し、第１の導波管に対して発射される。第２の、第３の導波管はそれぞれ個別に調整され、選択的に、特定波長のＴＭモードが第２、第３の導波管のいずれか一つと結合し、同じ波長のＴＥモードが第２、第３の導波管の他の一つと結合するようにする。好ましくは、可調フィルタ／受信器は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰのようなIII −Ｖ族の合金系で製造されるが、本発明の範囲内であれば、他の半導体およびII −IV族の合金系やＳｉ／Ｇｅのようなヘテロ材料系を用いても良い。さらに、光反射性、音響光学性、および電子光学性を特徴とする他の材料を用いても良い。第２、第３の導波管は、本発明においては分岐導管を用い、適当な回折格子を有して設けられる。これにより、結合された波長が発射信号として同方向あるいは逆方向へ伝播する。本発明の他の目的、優位性、および改良点を以下に詳しく述べる。図面の簡単な説明本発明を以下の図面を参照しながら詳細に述べる：図１Ａ、図１Ｂは、波長分割多重アクセスネットワークの概略図である。図２は、本発明の一実施の形態の可調フィルタ／受信器を示す平面図である。図３は、分岐ガイド回折格子を用いた図２の変形を示す図である。図４は、波長ドロップに応用されるＹ分岐出力カプラを有する可調フィルタの平面図である。図５は、逆方向の可調フィルタ／受信器の平面図である。図６は、垂直結合可調フィルタの斜視図である。図７は、図６の装置の波長と実効インデックスとの関係を示すグラフである。図８は、導波管の幅が異なっている垂直結合フィルタの断面図である。図９は、分岐ガイドが回折格子を有している可調フィルタ／受信器の平面図である。図１０〜図１２は、横方向に結合されたフィルタの様々な部分を示す図である。図１３、図１４は、波長が異なる複合割合を有する横方向に結合されたフィルタ／受信器の図である。図１５〜図２６は、本発明の一見地における無偏向かつ可調フィルタ／受信器の製造工程を示す図である。図２７は、波長追加に応用される２×２の可調フィルタの平面図である。図２８は、Benesネットワークに応用される２×２の波長選択カプラのブロック図である。図２９は、波長ドロップおよび追加に応用される、他の実施の形態による２× ２の選択カプラの白図である。図３０は、波長選択フィルタの概念に基づく集積化されたレーザ／導波管の断面図である。実施の形態本発明の可調フィルタ／受信器は、特に光通信ネットワークに応用される。図１Ａのブロック図で示されるネットワークには、送信機側に可調レーザ１２の列があり、各レーザは前もって選択された中心波長にチューニングされている。外部変調器１４は、電気信号を各中心波長へ配信し、個々の信号は星形カプラ１６を介しファイバリンク２０で多重化され、さらに光後段増幅器１８で増幅される。受信器側では、多重化された信号は前段増幅器２２の段階で増幅され、星形デカプラ２４と狭帯域固定波長フィルタ２６によって分離される。分離された信号は、個々の広帯域光検知器２８あるいは集積化された光検知器によって読みとられる。ところで、ファイバのランダム偏光特性によって、受信器側の光信号には、互いに３０ｎｍだけ波長が異なるＴＥおよびＴＭ偏光モードが含まれている。図１Ａのネットワークにおいて、狭帯域固定フィルタ２６ではＴＥ、ＴＭの両モードを通過させることができず、ネットワークは偏光の影響を受けるものとなる。図１Ｂのネットワークにおいて、複数の固定波長レーザ１３が光源として選択され、両偏光モードを含む中心波長が受信側で分離される。したがって、本発明の主題は、図１Ｂの可調フィルタ／受信器２５，２８である。図２は、本発明の一実施の形態の可調フィルタ／受信器の構造を図示する平面図である。フィルタ／受信器は中心導波管３２を有し、その受信側３３には複数の中心波長λ₀，λ₁，λ₂，．．．λ_nを含む光信号が供給される。各中心波長にはＴＥ、ＴＭ偏光モードが含まれることもあるので、光信号はλ₀,λ_0TE,λ_0TM ；λ₁,λ_1TE,λ_1TM;．．．λ_n,λ_nTE,λ_nTMとも表すことができる。伝播定数がＢ₁，Ｂ₂の２つの導波管を有する方向性カプラでは、伝播定数が等しくなる波長λ₀が存在する。この状態において、導波管の一つに発された光は、一定の距離を進んだ後に他の導波管に完全に結合される。例えば、１９９１年６月のIEEE Photonics Technology Letters，Vol.3，No.6,第５１９〜５２１頁、Wu et al.の″A Vertically coupled InGaAsP/InP Directional Coupler Filt er of Ultranarrow Bandwidth″に、そのような記載がある。また、電流を導波管の一つに注入することによって、導波管の伝播定数が変化することも知られている。したがって、一つの導波管から他の導波管へ結合されるように波長を正しく調整することが可能になる。例えば、１９９３年４月のIEEE Photonics Techn ology Letters，Vol.3，No.6,第４５７〜４５９頁、Wu et al.の″InGaAsP/InP Vertical Directional Coupler Filter with Optimally Designed Wavelength T unability″に、記載されている。本発明の上記の刊行物に開示された装置に対する改良点は、可調フィルタ／受信器が第３の導波管を含み、さらにその第３の導波管が第１、および第２の導波管とは独立して調整されることである。本発明の実施の形態の一つによれば、中間、すなわち給電導波管３２は下位の導波管であり、可調導波管、すなわち分岐導波管３４，３６は互いに横方向に離され、中心導波管に対して垂直に離されるように位置する。この構成を図２に示す。上記のように、ある状況下では、導波管の一つからの光は、ある距離を進んだ後に他の導波管に完全に結合される。図２の分岐導波管３４，３６において、それぞれ部分３５，３７が中間、すなわち給電導波管３２に近接している。この長さは、分岐導波管に一度結合された光が中心導波管に再び結合されないように決定される。以下に動作について説明する。中心波長チャンネルおよび偏光モードを含む光信号が、中心導波管の３３に対して発せられる。導波管は、中間、すなわち給電導波管３２が分岐導波管３４，３６とは異なる反射係数を有するように設計される。各々の分岐導波管に選択的に電流を流すことによって、一つの導波管をλ_0T _E 他の導波管をλ_0TMに、各々を独立してチューニングすることが可能になる。この電流はそれぞれコンタクト３８，３９を介して導波管の３５，３７に対して注入される。後述するように、コンタクト３８，３９に印加された負あるいは逆電圧も、各分岐管の反射係数を変化させる。この構成では、各分岐導波管の伝播定数が、以下の条件を満足するように異ならなくてはならない：Ｂ_L,ＴＥ（λ₀）＝Ｂ_M,ＴＥ（λ₀）Ｂ_R,ＴＭ（λ₀）＝Ｂ_M,ＴＭ（λ₀）ここで、Ｂ_L＝左側導管の伝播定数，Ｂ_M＝中間導管の伝播定数，Ｂ_R＝右側導管の伝播定数， λ₀＝中心波長またはフィルタの結合波長である。異なる伝播定数を達成する好ましい方法は、分岐導波管の幾何学的配置を調整すること、すなわち、異なる幅や異なる厚さを設定することである。上記の構造に代わるものとして、図３に図示されるように、結合を回折格子４３，４５によって起こすこともできる。本実施の形態では、２つの分岐導波管が同じまたは異なる伝播定数を有している。位相一致条件は、異なる回折周期を分岐導波管で用いることによって満足される。位相一致条件は以下によって与えられる。Ｂ_L,ＴＥ（λ₀）−Ｂ_M,ＴＥ（λ₀）＝２π（ＴＥ）／Λ Ｂ_R,ＴＭ（λ₀）−Ｂ_M,ＴＭ（λ₀）＝２π（ＴＭ）／Λ ここでＢ_L ＝左側導管の伝播定数，Ｂ_M ＝中側導管の伝播定数，Ｂ_R ＝右側導管の伝播定数， λ₀ ＝中心波長， Λ（ＴＥ）＝左側導管の回折周期， Λ（ＴＭ）＝右側導管の回折周期図２、図３について上記では左側導波管はＴＥ導波管、右側導波管がＴＭ導波管となっていたが、これらを逆にしても良い。可調フィルタ（回折有り／なし）はＷＤＭに用いられるとき、ＴＥおよびＴＭモードは、各分岐導波管の終端に位置する光検出器に対して向けられる。光検出器は図２、図３において４０，４２で示される。検出された２つの信号の組み合わせにより、無偏向かつ選択された波長チャンネルを読むことが可能になる。上記の通り、フィルタのＴＥおよびＴＭモードの中心波長は電流を分岐導管へ注入することによって調整することができる。分岐導管のｐｎ接合へ電流を大量に注入すると、かなりの量の自然放出（ＳＥ）が起こる。図２、図３では、ローパスフィルタ４４，４６が検出器４０，４２およびフィルタの３５，３７部分の間の各分岐導管３４，３６に設けられている。このローパスフィルタは、好ましくは、単純に分岐導管でのｐ−ｎ接合を逆バイアスにすることによって構成され、この接合により自然放出が吸収される一方で、入力信号のＴＥおよびＴＭモードを通過させるものである。チューニング機能については、ｐ−ｉ−ｎ接合が各分岐導波管に置かれ、反射係数を変化させる。電流の注入によって、負の係数変化がおこるが、逆バイアスによって、電子光学または電子反射効果が得られ結果的に正の指数変化がおこる。従って、フィルタ構造、物質、４元組成など実際的限界内では、電流の注入および電子光学効果を組み合わせることによって、フィルタをより広い波長でチューニングすることが可能になる。フィルタが図４のように波長セレクタ／スイッチに用いられる場合、フィルタの５６，５８部分の下流に位置する導波管５２，５６は、それぞれＹ分岐電力結合器６０によって結合される。可調フィルタの部分５６，５８によって分離されたＴＥおよびＴＭモードは、結合器６０で位相が再び同じにされ、後続処理のための無偏光である光信号となる。上記のように、分岐導波管の結合波は、中心または発信導波管の信号と同方向に進んでいく。すなわち、波は同方向へ進む。このような構成において、中心の導波管から分岐導波管のひとつに結合する波の帯域は以下の式によって表される。 Δλ∝１／（ｄＢ₁／ｄλ−ｄＢ₂／ｄλ）ここで、 Δλ＝帯域、Ｂ₁およびＢ₂は２つの導波管の伝播定数を示す。（１９８７年１２月発行のJournal of Lightwave Technology，vol．Lt.5，No.1 2,第１７７３頁，Marcuse，D.，″Bandwidth of Forward and Backward Couplin g Directional Couplers″を参照。）しかし、導波管のひとつあるいは両方に回折格子を用いて中心導波管から分岐導波管へ波を結合し、さらに結合波を後ろ方向、すなわち、波が逆方向となるように進めることも可能である。図５は、逆方向に調整可能であるフィルタを図示している。λ₀（ＴＥ／ＴＭ）；λ₁（ＴＥ／ＴＭ）．．．λ_n（ＴＥ／ＴＭ）を含む信号は、中心導波管３２内を上記の構造で説明したように進行する。分岐導波管６２，６４には回折格子６６，６８がそれぞれ設けられ、その周期は結合されるモードによって決定される。λ₀（ＴＥ）の導波管６２は、周期がΛ（ＴＥ）であり、λ₀（ＴＭ）導波管６４は周期がΛ（ＴＭ）である。これらは、おおよそ以下のように選択される。Ｂ₆₂（ＴＥ）＋Ｂ₃₂（ＴＥ）＝２π／Λ（ＴＥ）Ｂ₆₂（ＴＭ）＋Ｂ₃₂（ＴＭ）＝２π／Λ（ＴＭ）すなわち、 Λ（ＴＥ）＝２π／（Ｂ₆₂（ＴＥ）＋Ｂ₃₂（ＴＥ）） Λ（ＴＭ）＝２π／（Ｂ₆₂（ＴＭ）＋Ｂ₃₂（ＴＭ））逆方向の帯域Δλは以下の式で表される。 Δλ∝１／（ｄＢ₁／ｄλ＋ｄＢ₂／ｄλ）同方向と逆方向の構造について帯域の数式を比較すると、逆方向では、ｄＢ₁ ／ｄλとｄＢ₂／ｄλの項が加算されているので、その合計は同方向のカプラよりも大きくなり、またその逆は小さくなる。したがって、狭帯域が必要とされる場合は、逆方向のフィルタが同方向構造よりも優れている。図５に示されるように、例えば、中心波長λ₀のＴＥまたはＴＭのような選択モードは適当な分岐導波管に結合され、分岐導波管に沿って後ろ方向へ反射する。上記のローパスフィルタ７０，７２および検出器７４，７６は各分岐導波管と一体となって形成され、λ₀（ＴＥ）およびλ₀（ＴＭ）モードの検出が行われる。結合されない周波数、すなわち、λ１；λ２；．．．λｎは中心導波管３２に沿って進む。言うまでもなく、２つの分岐導波管を図４に図示するようにＹ分岐電力結合器６０を用いて結合させることも可能である。図６は、垂直に結合された可調フィルタの斜視図である。中心、すなわち給電導波管７２は分岐導波管７４，７６よりも大きく示されている。分岐導波管７４，７６はほぼ同じ大きさである。給電導波管７２に、λ₀（ＴＥ／ＴＭ）,λ₁（ＴＥ／ＴＭ）,．．．λ_n（ＴＥ／ＴＭ）を含む光信号が供給される。上記に述べた結合効果によれば、λ₀（ＴＭ）は分岐導波管７４に、λ₀（ＴＥ）は分岐導波管７６に結合する。λ₁（ＴＥ／ＴＭ）．．．λ₀（ＴＥ／ＴＭ）は、フィルタの中心導波管７２を通り、後続するフィルタ（図示されていない）に結合され、λ₁ （ＴＥ）およびλ₁（ＴＭ）の様に分離される。３つの導波管７２，７４，７６の有効反射係数Ｎを波長λの関数として表したのが図７である。この図において、Ｎ＝Ｂ／（２π／λ）であり、ここで、Ｂ＝伝播定数である。図７の実線は、各導波管のＴＥモードについて、また破線は各導波管のＴＭモードについて、それぞれＮとλの関係を示すものである。 λ₀において、Ｎ₇₄ＴＥ＝Ｎ₇₂ＴＥＮ₇₄ＴＭ＝Ｎ₇₂ＴＭである。上記のように、各分岐導波管間の伝播定数の違いは、様々な方法で達成することができる。図８では、伝播定数の違いは、導波管の幅の違いにより達成される。この図は、可調フィルタ装置のフィルタ部分の断面図であり、基板８０、下部クラッディング層８２、下部すなわち中心導波管８４、下部分離層８６、上部分離層８５，８７、エッチ・ストップ層８８により分離されている２つの部分を含むものである。上部の導波管すなわち分岐導波管９０，９２は、それぞれ分離層８５，８７の上に位置する。上部のクラッディング層９４，９６は、それぞれ、分岐導波管９０，９２のトップに位置する。図に示されるように、分岐導波管９０，９２、クラッディング層９４，９６および分離層８５，８７は、分離間隔９７によって尾根を形成している。この例では、右すなわちＴＭ導波管は、幅が２．２μｍであり、左またはＴＥ導波管は、幅が２．０μｍである。下部すなわち中心導波管は幅が３．０μｍである。導波管の層はＩｎＧａＡｓＰで形成され、中心導波管はλｇ＝１．１μｍであり、分岐導波管すなわち上部導波管はλｇ＝１．４μｍである。これら寸法と組成値は単に一例として挙げられたものであり、本発明の範囲を限定するものではない。さらに、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰに加えて、可調フィルタをＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓのような他のIII−Ｖ合金、II−IV合金、Ｓｉ／Ｇｅ、あるいは他のヘテロ物質系で製造しても良い。さらに、ＬｉＮｂＯ₃、ポリマ、シリカ、ガラス素材は言うまでもなく、他の光反射素材や音響光学、電子光学素材を用いても良い。図９は、中心導波管から分岐導波管の一つへ特定の波長を、選択的に結合する方法を示す図である。この場合、上記のように、分岐導波管９０，９２は異なる幅を有する。分岐導波管の一つあるいは図示されるように両方がエッチングされた回折格子とともに構成され、以下の条件を満たしている：Ｂ₂−Ｂ₁＝２π／Λ ここで、Ｂ₂は、カプラの対称モード伝播定数であり、この伝播定数は２つの導波管間が大きく隔たっているとき、分岐導波管の一つの固有のモードに近くなり、Ｂ₁は、非対称モードの伝播定数であり、２つの導波管間が大きく隔たっているとき、中心の導波管固有のモードに近くなり、 Λは、回折格子の１周期の長さを示す。この条件が満たされると、中心の導波管または給電導波管とそれに関係している分岐導波管の間で完全なパワー交換が行われる。Ｂ₂とＢ₁の値が導波管の反射係数によって決定されるので、これら値は、電流を関連する分岐導波管へ注入することによって電子光学的に変化させることができる。同様に、両方の分岐導波管へ適当な電流を同時に注入っすることによって、中心波長の両偏光モードＴＥおよびＴＭは、指定された分岐導波管へ結合される。図９において、フィルタは、回折格子によって中心すなわち給電導波管８４からそれぞれＴＥ、ＴＭの導波管９０，９２へ結合する。上記のように、偏光中心波長λ₀,λ₁,λ₂,．．．λ_nを含む光信号が中心の導波管８４へ発射され、さらに第１の中心波長λ₀のＴＥおよびＴＭモードが適当な分岐導波管９０，９２に結合される。中心波長λ₁,λ₂,．．．λ_nは中心の導波管８４に沿って進んでいく。上記のように、本発明のシステムは導波管間の伝播定数が異なるように達成される点で柔軟性を有する。これは、成分、幅、厚さの違いによって達成される。さらに、上記のように垂直的にではなく横方向に結合が起こるように導波管を物理的に位置させることも本発明の範囲内で可能である。横方向に結合された導波管は図１０に図示されるように、中心導波管すなわち給電導波管１０２は、それぞれ左右分岐導波管１０４，１０６と同じ平面上にあるように、しかしそれらから横方向に分離されるように位置される。図１１、図１２、図１３、図１４は、横方向に結合された導波管を有する無偏光可調フィルタに関するものである。図１１は、図１３の断面図で一般的に示されるタイプのフィルタのチューニング部分を図示する。図１１はチューニング部分の斜視図であり、装置を構成する構造の様々な層を示している。これらの層は、ｎ⁺ＩｎＰ基板１１０上のＭＯＣＶＤのような結晶成長技術によって形成される。第１の層１１２はｎ型のＩｎＰバッファであり、その上にＩｎＧａＡｓＰ（ λｑ＝１．１μｍ）層１１４があり、分岐導波管と中心導波管層の一部のクラッディング層として機能する。好ましくは、続いて薄膜エッチ・ストップ層１１６を形成し、さらにその上にＩｎＧａＡｓＰ（λｑ＝１．１μｍ）の層１１８を形成し、それに選択的にエッチングを施すことによって、中心の導波管およびラテラル型のＴＥおよびＴＭ分岐導波管のクラッディング層の一部を形成する。その上のインデックスガイド層１２０を形成し分岐導波管を形成する。図のように、層１２０は任意にＩｎＧａＡｓＰ（λｑ＝１．４μｍ）でドープされ、その上に薄いスペース層１２２とＩｎＧａＡｓＰ（λｑ＝１．４μｍ）の薄回折格子層１２４が形成される。さらに、エッチングが施されて回折格子１２６，１２８を形成する。半絶縁体ＩｎＰである１３０が、導波管間と分岐導波管のどちらか一方の上に再び形成され、回折格子と同一平面上になるまで、または、電流ブロック層としてそれ以上になるまで成長させる。続いて、任意にＩｎＰでドープした層１３３を半絶縁層の上に形成し、続いてｐ型ＩｎＰ１３４およびｐ⁺ＩｎＧａＡｓのＰ接続層１３６を形成する。ｐ^-ＩｎＰ層および接続層をエッチングし、分岐導波管上に尾根を形成する。ｐコンタクト１３８およびｎコンタクト（図示されていない）は既知の方法で形成される。検出器部分（図１２）はチューニング部分と同時に形成され、任意にＩｎＧＡＡｓｐにドープされた層１３２が、スペース層１２２上のＩｎＧａＡｓＰ層１２４と任意にＩｎＰにドープされた層１３３の間に加えられる他は、実質的にはチューニング部分と同様の構造を有する。これを図１２に示す。この任意にＩｎＧａＡＳにドープされた層１３２は、隣り合うＩｎＰ１３３と、さらにその上のｐ −ＩｎＰとｐ⁺ＩｎＧａＡｓ接続層は、ＰＩＮフォトダイオードを形成し、導波管内の光エネルギーを検出する。図１３は、可調フィルタの分岐導波管を長手方向からみた斜視図であり、チューニング、ローパスフィルタ、検出部分を図示している。図１０、図１２に関して、上記では、中心導波管および分岐導波管は同一層の一部分であったので、同一の組成値を有する。図１４は、横方向に結合された分岐導波管を有し、中心の導波管が分岐導波管とは異なる組成を有するフィルタの斜視図である。図１３は、図１４の装置の長手方向の図を示す。図１５〜図２６は、横方向に結合された図１３、図１４に示す可調フィルタの製造に必要な処理工程の概要を図示するものである。図１５では、Ｎ型のＩｎＰの２μｍ層２０２が、Ｎ型のＩｎＰ基板（図示されていない）上に形成される。２μｍ層２０２の上に、バンドギャップの幅λｇ＝１．０μｍを有して、ドープされていないＩｎＧａＡｓＰの０．１μｍ層２０４が形成される。さらに１０ｎｍのドープされていないＩｎＰエッチストップ層２０６が形成され、その上に、バンドギャップの幅λｇ＝１．０μｍを有してＩｎＧａＡｓＰのドープされていない０．２μｍの厚さの層２０８と、ドープされないＩｎＰの第２の１０ｎｍエッチストップ層２１０が形成される。ＳｉＯ₂の層２１２が、エッチストップ層２１０の上に堆積され、ＳｉＯ₂を中心の導波管２１４の構造内でフォト・リソグラフ法によってパタン化される。ＳｉＯ₂は、中心の導波管１２４の両側２１６，２１８にも形成され、フィルタの外縁を形成する。ＳｉＯ₂マスク間の物質は、図１６が示すように第１のエッチストップまでエッチングされる。さらに図１７が示すように、ＳｉＯ₂を両サイドから取り除く。さらに層を形成する過程を図１８に示す。ここでは、バンドギャップの幅がλ ｇ＝１．２μｍでありドープされないＩｎＧａＡｓＰの０．２μｍ層２２０、エッチストップ層２２２、λｇが１．２μｍであるＩｎＧａＡｓＰの３０ｎｍの厚さの層２２４、さらに他のエッチストップ２２６、ドープされないＩｎＧａＡｓの０．２μｍの厚さの層２２８および最後にトップエッチストップ層２３０が形成される。図１３および図１９に示される光検出器２３２は、フォトグラフィックの技術とＳｉＯ₂のパッシベーション（図示されていない）を用いてＩｎＧａＡｓ層に形成される。これによって幅３μｍ、長さ５０μｍの２つの検出器２３２が形成される（図１９）。中心導波管の両側の素材は、検出器の部分を除いて、エッチングされ回折格子のパターン２３４，２３６が図２０に示されるように形成される。次に、中心の導波管と第１および第２の分岐導波管のパターンがＳｉＯ₂層２４Ｏに、図２１に示されるように形成される。図１９に関連して上記に示した検出器２３２は、分岐導波管のパターンに組み込まれる。さらに、素材をエッチングして導波管２４２，２４４を図２２に示すように形成する。エッヂパターン２４６，２４８は、フィルタの外縁を形成し尾根導波管を保護するために残される。図２２は、３つの導波管の寸法を示し、左側の導波管は１．８μｍ、中心の導波管は１．８μｍ、右側の導波管は２．０μｍである。各分岐導波管と中心導波管の間の間隙は１．７μｍであるが、図で示されるように、分岐導波管の組成は中心の導波管の組成とは異なっている。すなわち、中心の導波管の組成がλｇ＝１．０μｍに対して分岐導波管ではλｇ＝１．２μｍである。ＳｉＯ₂を、中心の導波管２１４および２４６，２４８で示されるパターンを形成する外縁から取り除く。それを図２３で示す。第３の成長ステップとして、半絶縁体のＩｎＰ層２５０を導波管２１４，２４２，２４４の間、分岐導波管２４２，２４４間、および周辺部分２４６，２４８間で成長させる。このことは図２４の断面図に示される。次に、ＳｉＯ₂を分岐導波管２４２，２４４の上表面から取り除く。さらに第４の成長ステップでは、真性ＩｎＰからなる０．８μｍの層２５２、ＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．０μｍ）の１００Å層２５４、真性ＩｎＰからなる０．２μｍ層２５６、Ｐ型ＩｎＰの０．８μｍ層２５８、最後にＰ⁺ＩｎＧａＡｓからなる厚さ０．２μｍのコンタクト層２６０が形成される。これを、図２５に示す。最後に、１００ÅのＩｎＧａＡｓｐ層よりも上部の物質をエッチングし、分岐導波管の構造内にリッジ２６２，２６４を残す。コンタクト（図示されていない）は、既知の方法で尾根に組み込まれる。図２６は、最終的な構造を示す断面図である。これまでの処理工程は特にIII−Ｖ族の合金、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰについて述べてきたが、上記のように、本発明の可調フィルタは他の材料からでも製造することができ、その場合は選んだ材料によって、処理工程が必然的に異なってくる。ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系を詳述したのは、それが最も好ましい一例であり、さらにその処理工程が最先端の半導体製造工程に準じているためである。上記の処理工程はあくまでも１例であり、本発明の範囲を限定するものではない。本発明の可調フィルタは、中心の導波管のＴＥおよびＴＭモードを選択的に給電導波管から分岐導波管へ結合することに意義があるが、本装置は波長チャンネルを２入力導波管から１出力導波管へ追加することも可能である。図２７はそれを示す図であり、無偏光チャンネルλ₀が第１の導波管２７０に発射され、波長チャンネルλ₁，λ₂，．．．λ_nが第２の導波管１７２に対して発射される。可調フィルタは、λ₀チャンネルを第２の導波管２７２に追加するように動作し、 λ₀,λ₁，λ₂，．．．λ_nの組み合わせがフィルタ内に存在する。これらの特徴は、図２８に示される光スイッチおよび図２９の通信ネットワークにも応用される。本発明による波長を選択的に結合するという概念は、レーザおよび不活性導波管が集積化された図３０に示されるようなものにも応用することができる。狭い活性地域２８０で生成された光は、選択的にそれよりも大きな不活性導波管２８２に結合される。これによって光をファイバへうまく結合することができ、光通信にも応用できる。本発明の特定の実施の形態を図示し詳述してきたが、当業者であれば、これらの実施の形態に様々な変形や代替を加えることが可能であることは自明である。例えば、増幅媒体すなわち光増幅器を分岐導波管のどちらか一方に、あるいは両方に加えることが可能であり、さらに、それらを中央の給電導波管に加えても良い。また、周期的な回折格子を、一方の分岐導波管や中心の導波管へ連結させたり、両方の分岐導波管へ連結させても良い。さらに、これらの変形や代替は、以下のクレームで限定される本発明の範囲内のものである。

Claims

【特許請求の範囲】１．光方向性カプラ波長可調フィルタにおいて：光信号を受信し転送する第１の導波管と；少なくとも第１の導波管に並列する部分を有する第２の導波管と；少なくとも第１の導波管に並列する部分を有する第３の導波管と；さらに、前記の導波管に連結され、第１の導波管から第２の導波管、第３の導波管に前記の光信号を選択的に結合する手段を含むことを特徴とする光方向性カプラ波長可調フィルタ。２．請求項１記載の可調フィルタは、前記第２の導波管、第３の導波管のそれぞれに受信器を備えたことを特徴とする可調フィルタ。３．請求項２記載の可調フィルタ／受信器は、半導体材料構造で製造されることを特徴とする可調フィルタ。４．請求項１記載の可調フィルタは、リチウム・ニオベート（ＬｉＮｂＯ₃）を含む電子光学材料の類で製造されることを特徴とする可調フィルタ。５．請求項１記載の可調フィルタは、ポリマ材料で製造されることを特徴とする可調フィルタ。６．請求項１記載の可調フィルタは、シリカおよびガラスを含む光反射材料類で製造されることを特徴とする可調フィルタ。７．請求項３記載の可調フィルタにおいて、前記の半導体構造は、III−Ｖ族の基板の上にIII−Ｖ族の合金組成層を有することを特徴とする可調フィルタ。８．請求項３記載の可調フィルタにおいて、前記の半導体構造はII−VI族の材料の層からなることを特徴とする可調フィルタ。９．請求項３記載の可調フィルタにおいて、前記の半導体構造はIV族の材料の層からなることを特徴とする可調フィルタ。１０．請求項３記載の可調フィルタにおいて、前記のIII−Ｖ族の合金組成はＩｎＧａＡｓＰであり、前記基板はＩｎＰからなることを特徴とする可調フィルタ。１１．請求項３記載の可調フィルタにおいて、前記のIII−Ｖ族の合金組成は、ＡｌＧａＡｓであり、基板はＧａＡｓであることを特徴とする可調フィルタ。１２．請求項１記載の可調フィルタにおいて、前記光信号は複数の分離した波長チャネルを含むことを特徴とする可調フィルタ。１３．請求項１２記載の可調フィルタにおいて、前記の波長チャネルは無偏向であり、かつ横方向電界ＴＥモード、横方向磁界ＴＭモードの双方を含むことを特徴とする可調フィルタ。１４．請求項１３記載の可調フィルタにおいて、前記の結合手段は第２の導波管および第３の導波管に選択的にチューニング電流を注入する手段を備えることを特徴とする可調フィルタ。１５．請求項１４記載の可調フィルタにおいて、第１の導波管の反射係数が、第２、第３の導波管の反射係数と異なることを特徴とする可調フィルタ。１６．請求項１５記載の可調フィルタにおいて、各導波管の材料組成を変えることによって反射係数を変化させることを特徴とする可調フィルタ。１７．請求項１５記載の可調フィルタにおいて、有効反射係数は各導波管の幾何学位置を変えることによって変化することを特徴とする可調フィルタ。１８．請求項１７記載の可調フィルタにおいて、幾何学位置の違いは、各導波管の厚さの違いに依存することを特徴とする可調フィルタ。１９．請求項１７記載の可調フィルタにおいて、幾何学位置に違いは、各導波管の幅の違いに依存することを特徴とする可調フィルタ。２０．請求項１５記載の可調フィルタにおいて、前記の第２、第３の導波管に注入された前記チューニング電流によって反射係数を減少させ、選択された波長チャネルのＴＥモードを前記の第２、第３の導波管のうちの一つに結合し、前記の選択された波長チャネルのＴＭモードを第２、第３の導波管のうちの残りの一つに結合することを特徴とする可調フィルタ。２１．請求項１３記載の可調フィルタにおいて、前記の結合手段は前記の第２の導波管および第３の導波管のｐ−ｎ接合に選択的に逆バイアスをかける手段を備えていることを特徴とする可調フィルタ。２２．請求項２１記載の可調フィルタにおいて、前記のｐ−ｎ接合に逆バイアスをかけることによって電子光学効果が得られ、それによって前記の第２、第３の導波管の反射係数が上昇することを特徴とする可調フィルタ。２３．請求項１４記載の可調フィルタにおいて、前記の結合手段は、さらに少なくとも一つの前記の導波管に周期的回折格子を含むことを特徴とする可調フィルタ。２４．請求項１４記載の可調フィルタにおいて、前記の結合手段は、前記の各第２、第３の導波管にそれぞれ周期の異なる回折格子を含むことを特徴とする可調フィルタ。２５．請求項１記載の可調フィルタにおいて、第１の導波管に並列する第２、第３の導波管部分の長さは、ＴＥモード、ＴＭモードが前記の第２、第３の導波管に結合される結合の強さに依存することを特徴とする可調フィルタ。２６．請求項１記載の可調フィルタにおいて、第１、第２、第３の導波管が同一平面上にあることを特徴とする可調フィルタ。２７．請求項１記載の可調フィルタにおいて、前記の第２、第３の導波管が同一平面上にあり、第１の導波管から垂直に分離されていることを特徴とする可調フィルタ。２８．請求項２記載の可調フィルタ／受信器において、各第２、第３の導波管が、その第１の導波管と並行する部分から下流の位置に、集積化された光検出器を有することを特徴とする可調フィルタ／受信器。２９．請求項２８記載の可調フィルタにおいて、各第２、第３の導波管は、その光検出器と第１の導波管に並行する部分との問に、集積化されたローパスフィルタを有することを特徴とする可調フィルタ。３０．請求項１記載の可調フィルタにおいて、さらに、その第１の導波管と並行する部分から下流の位置に、第２、第３の導波管を集積化するＹ分岐カプラを有することを特徴とする可調フィルタ。３１．請求項３０記載の可調フィルタにおいて、さらに、その第１の導波管と並行する部分から上流の位置に、第２、第３の導波管を集積化するＹ分岐カプラを有することを特徴とする可調フィルタ。３２．請求項２記載の可調フィルタ／受信器において、さらに、前記の第１、第２、第３の導波管の少なくとも一つに光増幅器を含むことを特徴とする可調フィルタ／受信器。３３．請求項２記載の可調フィルタ／受信器において、さらに、前記の第２、第３の導波管に結合される光信号の部分は、前記の光信号に対して同一方向であることを特徴とする可調フィルタ／受信器。３４．請求項２記載の可調フィルタ／受信器において、さらに、前記の第２、第３の導波管に結合される光信号の部分は、前記の光信号に対して逆方向であることを特徴とする可調フィルタ／受信器。３５．請求項３２記載の可調フィルタにおいて、前記の第２、第３の導波管は、第１の導波管内の光信号と反対方向である前記の光信号の部分を反射させる回折格子を有することを特徴とする可調フィルタ。３６．請求項１記載の可調フィルタにおいて、並行部分における第１の導波管と第２の導波管間の距離、および第１の導波管と第３の導波管間の距離は、ＴＥモードおよびＴＭモードが第２、第３の導波管に結合する結合の強さに依存することを特徴とする可調フィルタ。