JPS62159106A - 光導波路型フイルタ - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、波長選択性を有する光導波路型フィルタ、お
よびその光導波路型フィルタを用いた波長多重伝送用光
モジュールに関する。

〔発明の背景〕

光フアイバ通信における光波長多重伝送技術は経済化を
はかる上で重要である。上記光波長多重伝送において、
光合分波器は必須のデバイスである。

従来、光合分波器の一つに、干渉膜フィルタを用いる構
成がある（ｒ光通信ハンドブック」朝食書店；３２５頁
〜３３１頁）。この干渉膜フィルタを用いた光合分波器
は、通過域、損失域損失特性。

通過帯域幅とも良好な特性が得られており、広く用いら
れようとしている。しかし、この構成では。

干渉膜フィルタをガラス平板に蒸着し、この干渉膜フィ
ルタ付ガラス平板をガラスブロックに接着剤ではりつけ
ている。ところがガラスブロックに接着剤ではりつける
際に精密な光軸合せを必要とし、また接着剤の厚さによ
ってガラスブロックへのガラス平板のはりつけ角度が変
化するため、光を励振しながら精密に位置、角度調整を
必要とする。また組立て加工時間もかかりすぎるため低
コスト化がむずかしい。さらにガラスブロックも鏡面研
磨し、寸法精度、角度精度を高めなければならないため
、非常に高価になっている。また量産性も悪いことも高
価の原因の一つである。さらに半導体発光素子、受光素
子を上記光合分波器と組合せて双方向伝送用ハイブリッ
ド光モジュールを構成しようとすると、個別部品の組合
せであるために、ますます組立て加工、光軸調整に時間
がかかり、高価であるという問題点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、前記問題点を解決することにある。す
なわち、従来の半導体発光素子や受光素子を光導波路上
に形成するプロセスを用いて、より簡易化、経済化をは
かれる１チツプモノリシツク型の光導波路型フィルタお
よびそれを用いた波長多重伝送用光モジュールを提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

本発明は、スラブあるいは３次元光導波路の導波路層に
所望周期間隔、所望幅で、該導波路層の厚みと等しいか
それよりも深い溝を光伝搬方向に沿って複数個形成させ
るか、あるいは該溝に該導波路の屈折率ｎＨと異なる材
質の膜（屈折率ｎＬ、）を埋込んだ構成の光導波路型フ
ィルタである。伝搬波長λ０に対して、７）シ域阻止型
光フィルタの場（ｍ　２＝　３　ｒ　５ｅ　７　、…）
としたものである。帯域通過ｎｂ これらの組合せを用いるようにしたものである。

そしてこれら光導波路型フィルタの波長特性により反射
、あるいは透過させるようにしたものであり、光の透過
と反射側に、半導体発光素子、あるいは受光素子をモノ
リシック状に形成させて波長多重伝送用光モジュールを
構成したものである。

〔発明の実施例〕

第１図に本発明の光導波路型フィルタの実施例を示す。

　（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（Ｃ）は左側面図
である。１は半導体２強誘電体、ｍ性体、あるいはガラ
スなどの基板である。３は導波路層であり、屈折率はｎ
１１である。２は導波路層３の屈折！　ｎ　ｏよりも低
い屈折率ｎｃのクラッド層である。４−１〜４−４は溝
部であり、その幅４ｎｔ。

７、・・・のいずれか）であり、溝部の深さは導波路層
３の厚みと等しいかそれよりも深くしである。

ただし、ｎＬは溝部の屈折率であり、この場合、溝部は
空気であるのでｎｔ、＝１となる。また溝部の両側面は
ほぼ垂直面に形成されている。これら溝部４−１〜４−
４はたとえばドライエツチングに形成される。現状のド
ライエツチング技術によれば、溝幅０．５μｍ、溝深さ
７μｍ８度のものは十分に実現できるので、ｄＬとして
は４ｎｔ。

たとえば、λＯ＝１．２μｍとすると、ｎｌ、は溝部４
−１〜４−４が空気であるのでｎＬ：１　　となり。

ｎｌを３とすればｄ＋、は０．９μｍであり、十分に実
現できる溝幅である。ｍｌが大きい程、溝部の形成は容
易となる。しかし、ｍｌが大きくなると、フィルタの比
帯域が狭くなるので、製作精度と比帯域のバランスをと
って決める必要がある。５−１〜５−３はドライエツチ
ングにより残った部分ｎＨ （ｍ２＝３．５，７．・・・のいずれか）に設定されて
いる。基板として、化合物半導体、たとえばＩｎＰ系を
用いると、導波路層３はＩｎＧａＡｓＰを用いるので、
その屈折率ｎＨは約３．２である。λｏ＝１．２μｍと
すれば、ｄＨはｍｚが３の場合、約０．２８μｍ、ｍｚ
が５の場合、約０．４７ｐｍ、ｍｚが７の場合、０．６
６μｍとなる。したがって、ｍｚ、とじては現状のドラ
イエツチング技術を考慮に入れて５あるいは７が好まし
い。

第２図は第１図の光導波路型フィルタの波長特性の一例
を示したものである。同図は、基板１としてＩｎＰ、導
波路層３としてＩｎＧａＡｓＰを用い、λ０＝１．２μ
ｍ　とし１ｍｔ＝ｍｚ＝７の場合の結果であり、Ｌ＝７
は溝部が４個形成さ、れた場合、Ｌ＝５は溝部が３個形
成された場合の特性である。なお。

これらの特性は平面波伝搬の近似計算結果であり、伝搬
モードを考慮に入れると若干特性が異なるが、近似的に
はほぼ同様の特性となる。上記結果かられかるように、
溝部が３〜４個程度で阻止域減衰量が非常に大きく、か
つ通過域から阻止域にかけての減衰勾配の大きい特性と
なる。これはｎＨとｎＬの屈折率差が、通常の干渉膜フ
ィルタの高屈折率層と低屈折率層の屈折率差に比して非
常に大きいためである。しかもｎｕ、ｎｌを７にしても
阻止減幅の広い帯域阻止フィルタが形成できる利点もあ
る。すなわち、従来の干渉膜フィルタでは一波長の膜厚
構成でしかできなかったのに対して、本発明では一波長
以上の構成が実現できる。

第３図は第１図において、λ０を１．２μｍ。

１．３μｍ、１．５５μｍとした場合の波長特性の計算
結果を示したものである。

第４図は第１図において、ｍ５＝５．ｍｚ＝７とした場
合の光導波路型フィルタの波長特性の計算例を示したも
のである。第２図と比較してわかるように、波長特性が
変わることがわかる。すなわち、第２図の場合には阻止
域中心波長が１．２μｍと約１．７μｍであったが、第
４図の場合には１．２μｍと１．８μｍとなっている。

そして第４図では１．５５μｍ付近は低損失な通過特性
を示しているので、１．５５μｍを通過域、１．２μｍ
を阻止域としたフィルタとして使うことができる。この
ように、ｍｌとｍｚを３．５，７．・・・の中のどれか
から選んで任意の組合せることにより、種々のフィルタ
特性を実現することができる。

第５図は本発明の光導波路型フィルタの別の実施例を示
したものである。同図（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図
、（ｃ）は左側面図である。第１図と同符号のものは同
じ機能を有するものである。

６−１〜６−４は第１図の溝部に低屈折率ｎしの膜を埋
込んだものである。この膜としては、たとえばＳ　ｉ　
Ｏｘ、　Ｓ　ｉ　０２に屈折率制御用ドーパント（Ｔｉ
Ｏｚ、　Ｐａ５ｓ、　Ｇｅ０ｚ、１ｌｚ０３など）を含
んだものなどを用いることができる。

第６図は第５図の場合の計算結果を示したものである。

基板１にＩｎＰ　、導波路層３にＩｎＧａＡｓＰ　（屈
折率ｎｏ＝３．２）、溝埋込み膜５−１〜５−６に５ｉ
Ｏｚ　（ｎｔ、＝＝　１．４６）とし、ｍｓ＝ｍｚ＝７
で溝埋込み膜が４個の場合（Ｌ＝７に相当する。）、５
個（Ｌ＝９）、６個（Ｌ＝１１）の場合についてそれぞ
れ示しである。阻止域中心波長１．２μｍの結果である
が、ＷＮ単な構成で阻止域減衰量を非常に大きくとれる
ことがわかる。

第７図は第６図のＬ＝１１の場合において、ｍｓ＝ｍｚ
＝３．５．７の場合について計算した結果である。ｍｌ
、ｍ２が大きくなる程、阻止域の比帯域は狭くなるが、
たとえば、波長１．２μｍ。

１．３μｍ、１．５５μｍを用いた双方向波長多重伝送
を考えた場合には、逆に、ｍｌ、ｍ２が７位の値の方が
良いことがわかる。

第８図は第６図のＬ＝９の場合において、ｄＬ。

も若干ずれた場合の特性を示したものである。本光導波
路型フィルタの場合、ｄｂが小さくなった場合にはその
分だけｄＨが大きくなり、逆にｄＬが大きくなった場合
にはその分だけｄＨは小さくなる。すなわち、溝加工プ
ロセスでは上記のような現像が必ず生ずる。第８図の特
性はそのような状態を示したものであり、同図の実線は
ｎＬｄ＋、＝ｎＨｄｕ＝−λ０正規の場合であり、点線
は溝加工幅が広すぎた場合 一点鎖線は逆に溝加工幅が狭すぎた場合である。上図か
らｂかるように、溝加工幅の寸法誤差があってもお互い
に相殺し合って、波長特性にはほとんど影響をおよぼさ
ないという独特の特長があることがわかった。従来の干
渉膜フィルタの場合には一層一層積層していく方法であ
り、しかも屈折率差が大きくとれないので、−周一層の
膜厚精度は１％以下に抑えなければならないという非常
にきびしい製作精度を要求されていた。これに対して、
本発明の光導波路型フィルタの場合には、導波路層を形
成した後で溝加工するが、その場合に、ｄＩ、が小さけ
れば必ずｄＨがその分だけ大きくなり、逆にｄしが大き
くなければ必ずｄＨがその分だけ小さくなり、結果的に
ｎＬｄＬ＋なる。そして第８図に示したように、正規の
波長特性とほぼ同等の特性を得ることができる。

第９図は本発明の光導波路型フィルタの波長特性の別の
計算例を示したものである。これは第６図において、Ｌ
＝７．ｎ＋、ｄＩ、＝ｎｏｄｕ＝−λ０゜λｏ＝１．２
μｍとした場合の特性で、実線は改良前の特性、点線は
１．３５μｍより長波長側の通過損失を低減した場合の
結果である。この通過損失値の低減方法としては、たと
えばこの場合には入力端と出力側の溝幅ｄｔ、を□λ０
より若干狭４ｎｔ。

くすればよい、さらに改良するには、それぞれのｄｕ、
ｄｏの少なくとも一つを規定値よりもずらせばよい、さ
らには、ｄｏ、ｄｏ、の代わりに、ｎυ。

ｎＨを変えても同様の特性となる。

第１０図は本発明の光導波路型フィルタの別の実施例を
示したものである。これは導波路層としてリッジ型導波
路Ｍ（３と７で示した部分）を用いた場合である。溝の
深さはこの３と７の厚さと等しいかそれよりも深くする
。

第１１図（ａ）〜（ｄ）は本発明の光導波路型フィルタ
の製造工程を示したものである。同図（ａ）は基板１上
にクラッド層２．導波路層３を形成する工程である。（
ｂ）はドライエツチングなどのエツチング手段により溝
４−１〜４−６を形成加工する工程である。（ｃ）は上
記溝に膜８を埋込む工程である。（ｄ）は導波路層３の
上の膜をエツチングする工程である。なお、膜の屈折率
が導波路層３の屈折率よりも低い場合には、（ｃ）の導
波路層上の膜８は残しておいた方が光学的に安定である
。すなわち、フィルタの湿度による特性変動防止のため
や、表面の汚染による吸収、散乱損失の増加予防のため
にエツチングしないでそのまま残しておいた方がよい。

第１２図は本発明の光導波路型フィルタを用いた適用例
の一つである。これはＹ字型導波路の一部に光導波路型
フィルタ９を形成したものである。

矢印１１方向から導波路層３内に入射した波長λ１．λ
２の光信号は導波路Ｍ３内を伝搬し、光導波路型フィル
タ９に入射する。このフィルタは波長λ１の光信号を阻
止して反射させ、波長λ２の光信号を通過させる特性（
たとえば第４図の特性のフィルタであり、λ１は１．２
μｍ、λ２は１．５５μｍとする）をもつ。したがって
、波長λ２（１，５５μｍ）の光信号は矢印１２のごと
くフィルタを通過し、波長λｚ（］、、２μｍ）の光信
号はフィルタで反射されるが、フィルタが入射波に対し
て斜めに形成されているので分岐導波路層１０内を矢印
１３のごとく伝搬する。すなわち、波長λ工、λ２の光
信号を分波するフィルタが構成されることになる。

今までの光導波路型フィルタの実施例は帯域阻止型フィ
ルタに関するものであったが、帯域通過型フィルタも構
成することができる。帯域通過型フィルタの場合には、
上記周期的溝の途中に、２ｎｔ。

すなわちキャビティ層、を少なくとも１個数ければよい
。あるいは溝の中心と溝の中心の間隔が４ｎｕ　　　　
　２ｎｕ も１個数ければよい。さらには上記２つを組合せてもよ
い。その−例としてキャビティが１個の場合の構成例を
第１３図に示す。同図において、（ａ）は上面図、（ｂ
）は正面図であり、２６がキャビティであり、導波路層
の幅は である。

次に上記光導波路型フィルタを用いた光波長多重伝送用
モジュールの実施例について述べる。

第１４図に３波長多重伝送用光モジュールの実施例を示
す。矢印１１方向から波長λ１とλ３（λ１＝１．２μ
ｍ、λｇ＝１．５５μｍ）の光信号が導波路層３内に入
射する。矢印１４方向へは波長λ２（λｚ＝１．３μｍ
）の光信号が伝送される。１９は波長λ２の半導体発光
素子、２０は上記λ２の光信号をモニタするための受光
素子、２１は波長λ１の光信号を受光するための受光素
子、２２は波長λ８の光信号を受光するための受光素子
、２３．２４．２５は光導波路型フィルタである。

たとえば、２３は第３図において、中心波長が１、．５
５μｍのフィルタ（第３図の一点鎖線で示す）、２４は
波長λ工の光信号のみを通す帯域通過フィルタ、２５は
波長λ３の光信号のみを通す帯域通過フィルタである。

上記のような構成にすると、半導体発光素子１９の光信
号（波長λ２）は導波路層３内に入射し、光フィルタ２
３を通過し、矢印１４のごとくモジュールから光ファイ
バ（図示せず）内へ伝送される。他方、矢印１１方向か
ら伝送されてきた波長λ１とλ８の光信号は導波路層３
内に入射し、光フィルタ２３に達する。そしてこの光フ
ィルタ２３で上記λ１．λ８の光信号は反射され、矢印
１５のごとく分岐導波路層ｌｏ内を伝搬し、光フィルタ
２４に入射する。波長λ１の光信号はこの光フィルタ２
４を通過して受光素子２１で受光される。波長λ８の光
信号は光フィルタ２４で反射されて矢印１７のごとく伝
搬し、光フィルタ２５を通過して受光素子２２で受光さ
れる。

本発明の光波長多重伝送モジュールは種々の構成が考え
られる。すなわち、双方向伝送用以外に片方向伝送用光
合波または光分波モジュールとしても適用でき、また波
長多重数は３波に限らず２波、４波以上でもよい。また
半導体発光素子には半導体レーザ、面発光型半導体レー
ザ、発光ダイオードを用いてもよい。溝の加工方法とし
ては、イオンビームエツチング、高周波スパッタエツチ
ング、反応性高周波スパッタエツチング、プラズマエツ
チング、イオン照射増速エツチングなどのドライエツチ
ングないしはそれに準するエツチング技術を用いること
ができる。光導波路としてはスラブ導波路を用いてもよ
く、この場合には光導波路層に溝を形成させて光導波路
型フィルタを形成してもよく、あるいは平行光に変換す
るレンズで平行光に変換後、少なくともビーム幅をカバ
ーできる範囲に溝を形成してもよい、また埋込み型光導
波路の導波路層に溝を形成させて導波路型フィルタを構
成してもよい。さらに、第１５図のように、導波路層３
を低屈折率ｎｐ（ｎｐ、≦−ｎ＋、）の膜２７で被覆す
ることにより、導波路層３からの放射損失、散乱損失を
低減させるようにしてもよい。

なお、同図において、（、）は上面図、（ｂ）は（ａ）
のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は左側面図である。上記低屈
折率の膜２７としては、たとえば。

６−１〜６−４に５ｉ（ｌｚを用いた場合には、５ｉＯ
ｚの膜か、あるいは５ｉＯｚにｓｚｏｗまたはＦをドー
プした膜を用いる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、１チツプモノリシツク型の光導波路型
フィルタおよびそれを用いた波長多重伝送用モジュール
を非常に簡易な構成で、容易に実現することができる。

しかも半導体光素子を導波路上に形成するプロセスの中
で光導波路型フィルタを作れるので、量産による低コス
ト化を期待できる。また、溝加工精度がそれほどきびし
くないので信頼性高く作れる。

【図面の簡単な説明】

第１．５，１０，１２，１３．１５図は本発明の光導波
路型フィルタの実施例を示す図、第２゜３．４，６，７
，８，９図は本発明の光導波路型フィルタの特性図、第
１１図は本発明の光導波路型フィルタの製造工程図、第
１４図は本発明の光波畏多重伝送モジュールの実施例を
示す図である。 １・・・基板、２・・・クラッド層、３・・・導波路層
、４−１〜４−４・・・溝部、５−１〜５−３・・・導
波路層、６−１〜６−４・・・溝内への埋込み膜、７・
・・リッジ導波路部の一部、８・・・膜、９，２３，２
４．２５・・・光導波路型フィルタ、１０・・・分岐導
波路層、１１．１２，１３，１４．１５，１６，１７゜
１８・・・光の伝搬方向を示す矢印、１９・・・半導体
発光素子、２０・・・モニタ用受光素子、２１．２２・
・・受光素子、２６・・・キャビティ、２７・・・低屈
折率ので− 第　ｌ　　２ （α） ＜Ｃ） 通過損失（ｄＢ） 通過損失（ｄ８〕 ｉｔ　蓮＊　ノｊ−ミ、　（ｄり 奉　５　図 （α） （Ｃ） 通　え！Ｌ　槓　ゲ（（ｄ８ン 通過祷夫Ｑｄ８〕 通造損大（−８〕 遁ｉ横天（４Ｂ） 早　１０　口 （Ｃ） 第　／Ｉ　　口 （αつ （し） （り 第　１２　　　図 第　７４　　凹 第　７５　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、スラブあるいは３次元光導波路層（屈折率ｎ＿Ｈ）
   に、中心波長λ＿０に対して、溝幅が（ｍ＿１／４ｎ＿
   Ｌ）λ＿０（ｍ＿１＝３、５、７、…、ｎ＿Ｌ：溝部の
   屈折率）、溝深さが該導波路層の厚みと等しいかそれよ
   りも深い溝を光伝搬方向に沿つて（ｍ＿１／４ｎ＿Ｌ）
   λ＿０＋（ｍ＿２／４ｎ＿Ｈ）λ＿０（ｍ＿２＝３、５
   、７、…）の間隔で複数個有することを特徴とする光導
   波路型フィルタ。 ２、特許請求の範囲第１項において、ｍ＿１とｍ＿２と
   の値が等しいことを特徴とする光導波路型フィルタ。 ３、特許請求の範囲第１項又は第２項において、（ｍ＿
   １／４ｎ＿Ｌ）λ＿０の溝の途中に、（ｍ＿３／２ｎ＿
   Ｌ）λ＿０（ｍ＿３＝１、３、５、……）の幅の溝を少
   なくとも１個設けるか、該溝と溝の間隔（ｍ＿１／４ｎ
   ＿Ｌ）λ＿０＋（ｍ＿２／２ｎ＿Ｈ）λ＿０を少なくと
   も１個設けるか、さらにはこれらの組合せを用いるよう
   にしたことを特徴とする光導波路型フィルタ。 ４、特許請求の範囲第１項において、溝に導波路の屈折
   率ｎ＿Ｈと異なる屈折率ｎ＿Ｌ材質の膜を埋込んだこと
   を特徴とする光導波路型フィルタ。 ５、特許請求の範囲第１項において、ｍ＿１、ｍ＿２、
   ｍ＿３の値が規定値よりも数％ずれていることを特徴と
   する光導波路型フィルタ。 ６、特許請求の範囲第１項において、光導波路の基板が
   、半導体、強誘電体、磁性体、あるいはガラスのいずれ
   かからなることを特徴とする光導波路型フィルタ。 ７、特許請求の範囲第４項において、溝に埋込んだ材質
   の膜の屈折率ｎ＿Ｌが導波路層の屈折率ｎ＿Ｈよりも低
   いことを特徴とする光導波路型フィルタ。 ８、特許請求の範囲第４項又は第７項において、それぞ
   れの溝に埋込む膜の屈折率の少なくとも１つは異なるこ
   とを特徴とする光導波路型フィルタ。 ９、特許請求の範囲第１項において、導波路層の屈折率
   よりも低く、溝部に埋込む膜の屈折率と等しいかそれよ
   りも低い屈折率の膜で被覆されていることを特徴とする
   光導波路型フィルタ。