JPS63221304A - Optical circuit - Google Patents

Optical circuit

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JPS63221304A
JPS63221304A JP5425287A JP5425287A JPS63221304A JP S63221304 A JPS63221304 A JP S63221304A JP 5425287 A JP5425287 A JP 5425287A JP 5425287 A JP5425287 A JP 5425287A JP S63221304 A JPS63221304 A JP S63221304A
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light
wavelength
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cladding layer
cladding
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Yasuo Kokubu
泰雄 國分
Toshihiko Baba
俊彦 馬場
Kenichi Iga
伊賀 健一
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YOKOHAMA KOKURITSU UNIV
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YOKOHAMA KOKURITSU UNIV
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Abstract

PURPOSE:To obtain an optical circuit which functions as an optical demultiplexer by the formation of thin film only by providing a region for separating wavelength permitting the transmission of light having at least one wavelength selectively from light in a specified wavelength region. CONSTITUTION:A second clad layer 41 of a low refractive index is formed on a semiconductor substrate 40 comprising a material having a high refractive index, and a resonance reflecting clad is formed by forming a first clad layer 42 of a high refractive index on the clad layer 41. A core section 43 for propagating light beams is formed by covering a transparent dielectric layer having a lower refractive index than the refractive index of the layer 42 on the clad layer 42. The light to be transmitted is reflected totally at an interface between the core section 43 and an air layer. The light is reflected simultaneously by the interference in the resonance reflecting clad between the core section 43 and the semiconductor substrate 40, and propagated in the core section 43. The reflectance of the resonance reflecting clad to the light propagated through the core depends on the refractive index of the clad layers 42, 41, film thickness of the layers, refractive index of the core section 43, film thickness thereof, and the wavelength of light to be transmitted. By selecting above-described factors appropriately, the reflectance may be regulated to almost 1.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、同一光導波路内を伝播する波長の異なる複数
の光を各波長光毎に分離する光分波器又は波長の異なる
複数の波長光を合成するための光合波器として作用する
光回路に関するものである。
Detailed Description of the Invention (Industrial Application Field) The present invention relates to an optical demultiplexer that separates a plurality of lights of different wavelengths propagating in the same optical waveguide, or This invention relates to an optical circuit that acts as an optical multiplexer for combining light.

(従来の技術) 現在実用化されている光通信の方式は、信号光を発光す
る光源と、これを受光して電気信号へ変換する光検出器
の間を1本の光ファイバで結ぶ一方向1対1の最も単純
な形態である。しかしながら、この単純な方式はさらに
1対複数や複数対複数の端末装置間を結ぶネットワーク
光通信へと発展しつつある。このネットワーク光通信に
おいて、端末間の双方向通信を1本の光ファイバのみで
行ったり、また異なった種類の信号(例えば、音声、画
像データなど)を1本の光ファイバで伝送する場合など
には、1本の光ファイバに異なる波長の光を伝送させ、
それぞれの波長に信号を別々にのせて双方向通信や一方
向多重通信を行う波長多重通信方式が用いられる。この
波長多重通信には、異なる波長の光を1本の光ファイバ
へ合流させる光合波器や、逆に1本の光ファイバを伝送
されてきた波長の異なる光をそれぞれの波長毎に分離す
る光分波器、さらにはこの両方の機能を持つ光合波・分
波器が用いられる。
(Prior art) The optical communication system currently in practical use is a unidirectional optical fiber that connects a light source that emits signal light and a photodetector that receives the signal light and converts it into an electrical signal. This is the simplest one-to-one format. However, this simple system is being further developed into network optical communication that connects one-to-many or multiple-to-multiple terminal devices. In this network optical communication, two-way communication between terminals is performed using only one optical fiber, and different types of signals (e.g., audio, image data, etc.) are transmitted using one optical fiber. transmits light of different wavelengths through one optical fiber,
A wavelength division multiplexing communication system is used in which two-way communication or one-way multiplexing communication is performed by separately placing signals on each wavelength. This wavelength multiplexing communication requires an optical multiplexer that combines lights of different wavelengths into one optical fiber, and conversely, an optical multiplexer that combines lights of different wavelengths into one optical fiber, and conversely, an optical multiplexer that separates lights of different wavelengths transmitted through one optical fiber into their respective wavelengths. A demultiplexer and an optical multiplexer/demultiplexer having both of these functions are used.

従来、光合波・分波器として第9図に示す光回路が既知
である。波長0.89μmの光を伝送する第1の光ファ
イバ1の入力端子を集束形ロンドレンズ2、プリズム3
および波長0.89μ信の光だけを透過させ他の波長の
光を反射する誘電体多層膜フィルタ4を介してガラスブ
ロック5に結合する。
Conventionally, an optical circuit shown in FIG. 9 is known as an optical multiplexer/demultiplexer. The input terminal of the first optical fiber 1 that transmits light with a wavelength of 0.89 μm is connected to a focusing Rondo lens 2 and a prism 3.
It is then coupled to a glass block 5 via a dielectric multilayer filter 4 that transmits only light with a wavelength of 0.89μ and reflects light with other wavelengths.

波長0.81μmの光が伝送する第2の光ファイバ6の
入射端子を同様に集束形ロッドレンズ7、プリズム8及
び波長0.81μmの光だけを透過するフィルタ9を介
してガラスブロック5に光結合する。
Similarly, light is transmitted from the input terminal of the second optical fiber 6 through which light with a wavelength of 0.81 μm is transmitted to the glass block 5 via a focusing rod lens 7, a prism 8, and a filter 9 that transmits only light with a wavelength of 0.81 μm. Join.

そして、第1光フアイバ系の光軸と第2光フアイバ系の
光軸との交点をガラスブロック5の表面上で一致させて
波長0.89μmの光とを合流させる。
Then, the intersection of the optical axis of the first optical fiber system and the optical axis of the second optical fiber system is made to coincide on the surface of the glass block 5, and the light having a wavelength of 0.89 μm is merged.

更に、ガラスブロック5にはプリズム10を介して波長
0.89μ鋼の光及び波長0.81μmの光だけを反射
する第3のフィルタ11を結合し、この第3のフィルタ
11によって上記合流させた光を集束形ロッドレンズ1
2に向けて反射し、共通端子13を経て外部に伝送する
。更に、共通端子13から波長1.2μmの光及び波長
1.3μ綱の光を入射させ第3フイルタ11に向けて入
射させる。第3フイルタ11の後方に波長1.2μmの
光及び波長1.3μmの光を共に反射するミラー14を
配置し、第3フイルタ11を透過した波長1.2μmの
光及び波長1.3μ−の光を第4フイルタ15に向けて
反射する。この第4フイルタ15は波長1.2μIの光
だけを透過し他の波長光を反射する特性を有している。
Furthermore, a third filter 11 that reflects only the steel light with a wavelength of 0.89 μm and the light with a wavelength of 0.81 μm is coupled to the glass block 5 via a prism 10, and the above-mentioned light is combined by this third filter 11. Light focusing rod lens 1
2 and is transmitted to the outside via the common terminal 13. Furthermore, light with a wavelength of 1.2 μm and light with a wavelength of 1.3 μm are input from the common terminal 13 and directed toward the third filter 11 . A mirror 14 that reflects both the light with a wavelength of 1.2 μm and the light with a wavelength of 1.3 μm is arranged behind the third filter 11, and the light with a wavelength of 1.2 μm and the light with a wavelength of 1.3 μm that have passed through the third filter 11 are The light is reflected toward the fourth filter 15. This fourth filter 15 has a characteristic of transmitting only light with a wavelength of 1.2 μI and reflecting light of other wavelengths.

従って、波長1.2μmの光は第4フイルタ15を透過
し集束形ロンドレンズ16を経て第3の光ファイバ17
に出力される。
Therefore, light with a wavelength of 1.2 μm passes through the fourth filter 15, passes through the converging Rondo lens 16, and is sent to the third optical fiber 17.
is output to.

一方波長1.3μ曙の光は第4フイルタ15で反射され
第5のフィルタ18及び集束形ロッドレンズ19を経て
第4の光ファイバ20に出力される。
On the other hand, the light having a wavelength of 1.3 μm is reflected by the fourth filter 15 and outputted to the fourth optical fiber 20 via the fifth filter 18 and the focusing rod lens 19.

更に、別の光合波・分波器として第9図に示す光回路が
既知である。この光回路はシリコン基板30上に光フア
イバ案内溝31及びフィルタ案内溝32を形成し、各フ
ァイバ案内溝31内に入出力ボートとして作用する光フ
ァイバ33を装着すると共に各フィルタ案内溝32内に
特定の波長光だけを透過し又は反射する誘電体多層フィ
ルタ34を基板に対して垂直に挿入して光分波、光合波
を行なうように構成されている。
Furthermore, an optical circuit shown in FIG. 9 is known as another optical multiplexer/demultiplexer. In this optical circuit, an optical fiber guide groove 31 and a filter guide groove 32 are formed on a silicon substrate 30, and an optical fiber 33 that acts as an input/output boat is installed in each fiber guide groove 31, and an optical fiber 33 that acts as an input/output boat is installed in each fiber guide groove 32. A dielectric multilayer filter 34 that transmits or reflects only light of a specific wavelength is inserted perpendicularly to the substrate to perform optical demultiplexing and optical multiplexing.

(発明が解決しようとする問題点) 上述した第8図に示す光合波・光分波器では、マイクロ
レンズ、プリズム、フィルタ等の各種光学素子を用い、
これら光学素子の光軸を正確に交差又は一致させてガラ
スブロックに装着しなければならず、高い組立精度が要
求され量産性に適さない欠点があった。また、第9図に
示す光合波・光分波器においても幅数子μmの微細な溝
内に多層膜フィルタを個別に装着しなければならず、同
様に組立作業が面倒であり量産性に劣る欠点があった。
(Problems to be Solved by the Invention) The optical multiplexer/demultiplexer shown in FIG. 8 described above uses various optical elements such as microlenses, prisms, and filters.
The optical axes of these optical elements must be made to intersect or coincide with each other when mounted on the glass block, which requires high assembly precision and is not suitable for mass production. Furthermore, in the optical multiplexer/demultiplexer shown in Fig. 9, multilayer filters must be individually installed in minute grooves with a width of a few μm, which similarly requires troublesome assembly work and is poor in mass production. There were drawbacks.

従って、本発明の目的は上述した欠点を解消し、複雑な
組立作業をすることなく製作することができ、しかも光
検出器等を含めて一体的に集積可能な光回路を提供する
ものである。
Therefore, an object of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks, provide an optical circuit that can be manufactured without complicated assembly work, and can be integrally integrated including a photodetector etc. .

(問題点を解決するための手段) 本発明による光回路は、光ビームを伝播させるコア部と
、 コア部に隣接しコア部の屈折率よりも高い屈折率の第1
クラッド層、及び第1クラッド層に隣接し第1クラッド
層よりも低い屈折率の第2クラッド層を有し、1又はそ
れ以上の特定波長域の光に対してコア方向への強い反射
特性を有する共振反射クラッド部と、 前記第1クラッド層又は第2クラッド層の少なくとも一
方の膜厚を部分的に変えることによって形成され、前記
特定波長域の光のうち少なくとも1つの波長域の光だけ
を透過させる波長分離領域とを有することを特徴とする
ものである。
(Means for Solving the Problems) An optical circuit according to the present invention includes a core portion for propagating a light beam, and a first refractive index adjacent to the core portion and having a refractive index higher than that of the core portion.
It has a cladding layer and a second cladding layer adjacent to the first cladding layer and has a lower refractive index than the first cladding layer, and has strong reflection characteristics toward the core for light in one or more specific wavelength ranges. a resonant reflective cladding section having a resonant reflective cladding section; and a resonant reflective cladding section formed by partially changing the film thickness of at least one of the first cladding layer and the second cladding layer, and capable of transmitting only light in at least one wavelength range of the light in the specific wavelength range. It is characterized by having a wavelength separation region that transmits light.

(作 用) 第1図は本発明による光回路の基本構成である共振反射
型先導波路の一例を示す線図である。高屈折材料の半導
体基板40上に低屈折率の第2クラッド層41を形成し
、この第2クラッド層41上に高屈折率の第1クラッド
層を形成して共振反射クラッドとし、第1クラッド層4
2上に第1クランド層の屈折率より低い屈折率の透明誘
電体層を被着して光ビームを伝播するためのコア部43
を形成する。
(Function) FIG. 1 is a diagram showing an example of a resonant reflection type leading waveguide which is the basic configuration of the optical circuit according to the present invention. A second cladding layer 41 with a low refractive index is formed on a semiconductor substrate 40 made of a high refractive material, and a first cladding layer with a high refractive index is formed on the second cladding layer 41 to form a resonant reflective cladding. layer 4
2, a transparent dielectric layer having a refractive index lower than that of the first ground layer is deposited on the core portion 43 for propagating the light beam.
form.

伝送されるべき光はコア部43と空気層との界面で全反
射すると共にコア部43と半導体基板4oとの間の共振
反射クラッドにおける干渉効果によって反射され、コア
部43内を伝播する。共振反射クラッドのコア内伝播光
に対する反射率は、第1及び第2クラッド層42及び4
1の屈折率及びその膜厚、コア部43の屈折率及び膜厚
と伝送されるべき光の波長に応じて定まり、共振反射ク
ラッドを構成する各クラッド層の膜厚及び屈折率を適切
に選択することによりほぼ1に近い反射率とすることが
できる。この共振反射クラッドによる反射率はほぼ1に
近いが、1よりわずかに小さいので、極めて微量の光が
共振反射クラッドを透過して基板へ放射される。この基
板に放射された光は放射損失となるが、最適な膜厚条件
を満たす共振反射クラッドを用いれば反射率がほぼ1に
なり損失を数dB/am以下に押さえることができる。
The light to be transmitted is totally reflected at the interface between the core section 43 and the air layer, and is also reflected by the interference effect in the resonant reflective cladding between the core section 43 and the semiconductor substrate 4o, and propagates within the core section 43. The reflectance of the resonant reflective cladding for light propagating within the core is determined by the first and second cladding layers 42 and 4.
1 and its film thickness, the refractive index and film thickness of the core portion 43, and the wavelength of the light to be transmitted, and appropriately select the film thickness and refractive index of each cladding layer constituting the resonant reflective cladding. By doing so, it is possible to obtain a reflectance close to 1. The reflectivity of this resonant reflective cladding is close to 1, but slightly smaller than 1, so that an extremely small amount of light is transmitted through the resonant reflective cladding and radiated to the substrate. The light emitted to this substrate results in radiation loss, but if a resonant reflective cladding that satisfies the optimal film thickness condition is used, the reflectance becomes approximately 1 and the loss can be suppressed to several dB/am or less.

この点に関する詳細な説明については本願人が先に提案
した特願昭61−206698号公報を参照されたい。
For a detailed explanation regarding this point, please refer to Japanese Patent Application No. 61-206698, which was previously proposed by the applicant.

一方、この共振反射クラッドの反射率は、各クラッド層
の膜厚及び伝播光の波長に応じて変化するので、各クラ
ッド層の膜厚を部分的に変化させることにより特定波長
だけを透過する高損失領域(高透過率領域)を部分的に
形成することができる。従って、共振反射クラッドの各
層の膜厚を部分的に変化させて特定波長石に対して低反
射率(高透過率)の状態とすると、この領域において波
長λ1の光だけが基板方向に透過して放射される。一方
波長の異なる波長λ2の光に対しては、この領域は低反
射条件(高損失条件)とはならないので、この波長λ2
の光は大部分が共振反射クラッドで反射され、更に先の
導波路まで伝播する。このように、本発明による光回路
は半導体基板上に所定の屈折率及び膜厚の誘電体層を積
層して共振反射クラッドを構成すると共に、この共振反
射クラッドを構成するクラッド層の膜厚を部分的に変え
るだけで光分波器としての機能が達成され、従って複雑
な組立作業が全(不要になる。更に、半導体基板上に光
検出器及びその関連電子回路素子を予め形成しておき、
この半導体基板上に誘電体層を積層することにより光分
波器と光検出器とのモノリシック集積化が可能になる。
On the other hand, the reflectance of this resonant reflective cladding changes depending on the film thickness of each cladding layer and the wavelength of propagated light, so by partially changing the film thickness of each cladding layer, it is possible to increase the reflectivity to transmit only a specific wavelength. A loss region (high transmittance region) can be partially formed. Therefore, if the film thickness of each layer of the resonant reflective cladding is partially changed to create a state of low reflectance (high transmittance) for a specific wavelength stone, only the light of wavelength λ1 will be transmitted toward the substrate in this region. is emitted. On the other hand, for light with a different wavelength λ2, this region does not have a low reflection condition (high loss condition), so this wavelength λ2
Most of the light is reflected by the resonant reflective cladding and propagates further into the waveguide. As described above, the optical circuit according to the present invention constitutes a resonant reflective cladding by laminating dielectric layers having a predetermined refractive index and thickness on a semiconductor substrate, and also controls the thickness of the cladding layer constituting this resonant reflective cladding. The function as an optical demultiplexer can be achieved by only changing the parts, thus eliminating the need for complex assembly work.Furthermore, the photodetector and related electronic circuit elements can be formed on the semiconductor substrate in advance. ,
By laminating a dielectric layer on this semiconductor substrate, it becomes possible to monolithically integrate an optical demultiplexer and a photodetector.

(実施例) 第2図は本発明による光回路の一例の構成を示  ゛す
線図である。シリコン基板50に2個の光検出器51a
、51bと増幅器等の関連電子回路素子(図示せず)を
予め形成しておく。これら光検出器51a。
(Embodiment) FIG. 2 is a diagram showing the configuration of an example of an optical circuit according to the present invention. Two photodetectors 51a on the silicon substrate 50
, 51b and related electronic circuit elements (not shown) such as an amplifier are formed in advance. These photodetectors 51a.

51b及びその関連電子回路素子は既知のシリコンプレ
ナ技術によって容易に製作することができる。
51b and its associated electronic circuitry can be easily fabricated using known silicon planar technology.

このシリコン基板50上に低屈折率材料であるSin。Sin, which is a low refractive index material, is formed on the silicon substrate 50.

層(屈折率1.45)から成る第2クラッド層52を形
成し、この第2クラッド層52上に高屈折率材料層であ
るrtoz層(屈折率2.3)から成る第1クラッド層
53を形成し、これら第2クラッド層52及び第1クラ
ッド層53によって共振反射クラッドを構成する。更に
、第1クラッド層53上に830.層から成るコア54
を形成する。これら第1及び第2クラッド層53及び5
2とコア54はスパッタリング、気相成長法、電子ビー
ム蒸着法等によって形成することができる。上述したよ
うに、コア54を伝播する光に対する共振反射クラッド
の反射率は第1及び第2クラッド層53及び52の膜厚
d、、d、及び屈折率nl+n2とコア54の膜厚dc
及び屈折率nCにより定まり、最大反射率(最低損失)
を与えるときの第1クラッド層の膜厚d、及び第2クラ
ッド層の膜厚dtはTEモードに対して次式で与えられ
る。
A second cladding layer 52 consisting of a layer (refractive index 1.45) is formed, and a first cladding layer 53 consisting of an rtoz layer (refractive index 2.3) which is a high refractive index material layer is formed on this second cladding layer 52. The second cladding layer 52 and the first cladding layer 53 constitute a resonant reflective cladding. Further, on the first cladding layer 53, 830. Core 54 consisting of layers
form. These first and second cladding layers 53 and 5
2 and the core 54 can be formed by sputtering, vapor phase growth, electron beam evaporation, or the like. As described above, the reflectance of the resonant reflective cladding for light propagating through the core 54 is determined by the thickness d of the first and second cladding layers 53 and 52, the refractive index nl+n2, and the thickness dc of the core 54.
Determined by and refractive index nC, maximum reflectance (minimum loss)
The thickness d of the first cladding layer and the thickness dt of the second cladding layer when dt is given are given by the following equation for the TE mode.

・ (2N+ 1 )            ・・・
・・・(1)(M、N=0.1.2・・・・・・) ここで、λは伝播すべき光の波長を表わし、d ell
は電磁界のコアの外へのしみ出し分を考慮した等価的な
コア膜厚である。電磁界は低損失条件(高反射率)のも
とでは共振反射クラッドへはほとんどしみ出さないので
、コア上部のクラッド層(本例では空気)の屈折率をn
oとするとコア54の等価膜厚dc1はほぼ次式で近似
できる。
・(2N+1) ・・・
...(1) (M, N=0.1.2...) Here, λ represents the wavelength of the light to be propagated, and d ell
is the equivalent core film thickness considering the amount of electromagnetic field seeping out of the core. Since the electromagnetic field hardly seeps into the resonant reflective cladding under low-loss conditions (high reflectance), the refractive index of the cladding layer (air in this example) above the core is set to n.
When o is assumed, the equivalent film thickness dc1 of the core 54 can be approximately approximated by the following equation.

λ d cmユde+□ ・・・・・・(3)2π 、7.
.1 このように、共振反射光導波路の伝播損失は、2層より
成る共振反射クラッドの膜厚に応じて変化する。次に、
第1クラッド層53の膜厚d、に対するTE基本モード
の放射損失特性を計算により求め第3図に示す。この計
算において、コア54の膜厚を4μ鋼とし、第2クラッ
ド層52の膜厚を2μIとした0図中、横軸は第1クラ
ッド層53の膜厚d1を示し、縦軸は損失(基板方向へ
の光透過量)を示す、実線は波長0.633μ曙の光に
対する計算結果を示し、破線は波長0.85μ曙の光に
対する計算結果を示し、一点鎖線は波長1.3μmの光
に対する計算結果を示す。0.633μmの波長光につ
いて検討すると、dt’=0.088μm+ 0.26
4μm+ 0.44amの3個の膜厚条件付近で高反射
率状態(低損失状Lit)となり、これら膜厚付近にお
いて損失が1dB/cm以下の低放射損失状態となる。
λ d cm + □ (3) 2π, 7.
.. 1 In this way, the propagation loss of the resonant reflective optical waveguide changes depending on the film thickness of the resonant reflective cladding consisting of two layers. next,
The radiation loss characteristics of the TE fundamental mode with respect to the film thickness d of the first cladding layer 53 were calculated and shown in FIG. In this calculation, the film thickness of the core 54 is 4μ steel and the film thickness of the second cladding layer 52 is 2μI. In the figure, the horizontal axis shows the film thickness d1 of the first cladding layer 53, and the vertical axis shows the loss ( The solid line shows the calculation result for light with a wavelength of 0.633μm, the broken line shows the calculation result for light with a wavelength of 0.85μm, and the dashed-dotted line shows the calculation result for light with a wavelength of 1.3μm. The calculation results are shown below. Considering light with a wavelength of 0.633 μm, dt' = 0.088 μm + 0.26
A high reflectance state (low loss Lit) occurs near the three film thickness conditions of 4 μm + 0.44 am, and a low radiation loss state with a loss of 1 dB/cm or less occurs near these film thicknesses.

またd、=0.176μ−、0,352μm付近におい
ては数十dB/cm以上の非常に大きな放射損失状態(
高透過率状態)となる。一方、d +−0,088μm
、 0.264μm、 0.44μm付近においては波
長0.85μ園の波長光及び1.3μ−の波長光に対し
てもほぼ高反射率状態になるから、これらの膜厚条件下
において3種の波長光に対して高反射状態となり、共振
反射導波路を構成することができる。またd!−0,1
76μ鴎、 0.352μ−の条件下においては0.8
5μ−の波長光及び1.3μIの波長光に対しては高反
射率状態にあるから、この膜厚条件においては0.63
3μ−の波長光だけが基板方向に透過し、他の波長光は
干渉反射クラッドで反射されコア54内を伝播すること
になる。更に、0.85μ鋼の波長光について検討する
と、dl−0,23μl付近において高透過率状態とな
り、一方0.633μmの波長光及び1.3μ−の波長
光に対しては高反射率状態になる。従ってti+−0,
23μlに設定することにより0.85μmの波長光だ
けを透過することになる。更に、d+=0.33μ潮の
膜厚条件においては1.3μIの波長光に対してだけ高
透過率状態となり、他の波長光に対しては高反射率状態
となる。この結果、dz=0.33μmに設定すること
により1.3μlの波長光だけが透過し他の波長の光は
共振反射クラッドで反射されてコア内を導波されること
になる。このように第1クラッド層の厚さを部分的に変
え、特定の波長光だけを透過する波長分離領域を共振反
射導波路中に形成することにより特定の波長光だけを分
離する光分波器として機能することになる。この高透過
率状態となる第1及び第2クラッド層の膜厚条件は、次
式で与えられる。
Also, in the vicinity of d, = 0.176μ-, 0.352μm, there is a very large radiation loss state of several tens of dB/cm or more (
high transmittance state). On the other hand, d+−0,088 μm
, 0.264 μm, and 0.44 μm, the reflectance is almost high for light with wavelengths of 0.85 μm and 1.3 μm, so under these film thickness conditions, the three types of It becomes highly reflective for wavelength light, and can form a resonant reflective waveguide. Also d! -0,1
0.8 under the condition of 76μ, 0.352μ-
Since it is in a high reflectance state for wavelength light of 5 μ- and wavelength light of 1.3 μI, under this film thickness condition, the reflectance is 0.63
Only the 3μ-wavelength light is transmitted toward the substrate, and the other wavelengths are reflected by the interference reflective cladding and propagated within the core 54. Furthermore, when considering the wavelength light of 0.85μ steel, it becomes a high transmittance state near dl-0.23μl, while it has a high reflectance state for wavelength light of 0.633μm and 1.3μ-wavelength light. Become. Therefore ti+-0,
By setting it to 23 μl, only light with a wavelength of 0.85 μm is transmitted. Further, under the film thickness condition of d+=0.33 μl, the film exhibits high transmittance only for light with a wavelength of 1.3 μl, and high reflectance for light of other wavelengths. As a result, by setting dz=0.33 μm, only 1.3 μl of wavelength light is transmitted, and light of other wavelengths is reflected by the resonant reflective cladding and guided within the core. An optical demultiplexer that separates only light of a specific wavelength by partially changing the thickness of the first cladding layer and forming a wavelength separation region in the resonant reflective waveguide that transmits only light of a specific wavelength. It will function as The film thickness conditions of the first and second cladding layers that achieve this high transmittance state are given by the following equation.

・・・・・・(4) (N、M=1.2.3・・・・・・) 式(1)、 (2)と式(4)、 (5)の違いは、式
(1)、 (2)がある最小公約数の奇数倍、式(4)
、 (5)が偶数倍の関係にある。また、高損失条件を
作るには、dlとd2の両方を一度に式(4)と(5)
の値に近付ける必要はなく、どちらか一方のみを近付け
るだけでも良い。通常は第1クラッド層の方が膜厚が薄
くて制御もしやすいので、第1クラッド層の厚みを変化
させる。
......(4) (N, M=1.2.3...) The difference between equations (1), (2) and equations (4), (5) is that equation (1) ), (2) is an odd multiple of some least common divisor, formula (4)
, (5) is an even number multiple. Also, to create a high loss condition, both dl and d2 can be calculated using equations (4) and (5) at once.
There is no need to bring it close to the value of , it is sufficient to bring only one of them close. Since the first cladding layer is usually thinner and easier to control, the thickness of the first cladding layer is changed.

本例では、コア54の入射端から波長λ1及びλ重の2
種の波長光を入射し、これらλ重及びλ重の波長光をそ
れぞれ分波するものとする。第2クラッド層53の膜厚
を部分的に変え、λ重の波長光だけを透過しλ重の波長
光を反射する第1の波長分離領域55aとλ重の波長光
は反射しλ重の波長光だけを透過する第2の波長分離領
域55bを形成する。
In this example, from the incident end of the core 54, the wavelength λ1 and the wavelength λ2 are
It is assumed that light of different wavelengths is input, and light of wavelengths of λ-fold and λ-multiplex are demultiplexed. The film thickness of the second cladding layer 53 is partially changed, and the first wavelength separation region 55a transmits only λ-fold wavelength light and reflects λ-fold wavelength light, and the λ-fold wavelength light is reflected and λ-fold wavelength light is reflected. A second wavelength separation region 55b that transmits only wavelength light is formed.

これら第1及び第2の波長分離領域は光検出器51a及
び51bの形成位置と対応する位置に形成する。
These first and second wavelength separation regions are formed at positions corresponding to the formation positions of photodetectors 51a and 51b.

これら2個の波長分離領域55.a及び55b以外の部
分は、第3図に示す結果に基、づきハ及びλ重の波長光
に対して共に高反射率状態(低損失状態)となるように
第1及び第2クラッド層53及び52の膜厚条件を設定
する。コア54で入射したλ重及びλ重の波長光は共に
コア54内を反射を繰り返しながら伝播し、λ重の波長
光は第1の波長分M SJf域55aにおいて第1及び
第2クラッド層53及び52をそれぞれ透過し、基板5
0に形成した光検出器51aに入射し、λ重の波長光は
第2波長分離領域55bにおいて第1及び第2クラッド
層53及び52をそれぞれ透過し光検出器51bに入射
する。
These two wavelength separation regions 55. Based on the results shown in FIG. 3, the portions other than a and 55b are formed using the first and second cladding layers 53 so as to be in a high reflectance state (low loss state) for light with multiple wavelengths of λ and λ. and 52 film thickness conditions are set. Both the λ multiple wavelength light and the λ multiple wavelength light incident on the core 54 propagate through the core 54 while repeating reflection, and the λ multiple wavelength light is transmitted to the first and second cladding layers 53 in the first wavelength M SJf region 55a. and 52 respectively, and the substrate 5
The λ-multiplexed wavelength light passes through the first and second cladding layers 53 and 52, respectively, in the second wavelength separation region 55b, and enters the photodetector 51b.

次に設計の具体例について説明する。Next, a specific example of the design will be explained.

波長0.78μ請と波長0.89μ−の光を分波する場
合について検討する。今度は、第1クラッド層の厚みを
それぞれ0.13μm、 0.24μ鋼、 0.271
1m+とじた時の、TE基本モード損失の波長依存性を
第4図に示す。ここで、コアの厚みdcは4am、第2
クラッド層の厚みd2を2μmとした。また、各層の屈
折率は、コアと第1クラッド層の材料が5in2、第2
クラッド層の材料がTi1tとし、それぞれの材料の各
波長における屈折率データを文献ハンドブック オプ 
オプチカル コンスタンスオブ ソリッズ(アカデミツ
クブレス社発行1985年)より求めて用いていた。第
4図の例ではd。
A case will be considered in which light having a wavelength of 0.78 μm and light having a wavelength of 0.89 μm are separated. This time, the thickness of the first cladding layer is 0.13 μm, 0.24 μm steel, and 0.271 μm, respectively.
FIG. 4 shows the wavelength dependence of the TE fundamental mode loss when the fiber is closed at 1 m+. Here, the core thickness dc is 4am, the second
The thickness d2 of the cladding layer was 2 μm. In addition, the refractive index of each layer is 5in2 for the core and first cladding materials,
The material of the cladding layer is Ti1t, and the refractive index data of each material at each wavelength is published in the literature handbook.
I found it from Optical Constance of Solids (published by Academic Press, 1985) and used it. In the example of FIG. 4, d.

−0,13μ畑の部分で波長0.78μ■と0.89μ
閣の両方の光を導波させ、d 、 =0.24μmの部
分で波長0、78 p rnの光を基板へ放射させ、d
+= 0.27μmの部分で波長0.89μlの波長を
基板へ放射させることができる。この際第4図の損失曲
線は短波長側では急峻で、長波長側ではなだらかなので
、例えば波長0.78μmと0.89μmの分波器を縦
列配置する場合、波長0.78μmの光を先に分波させ
たほうが波長0.89μmの光に対して大きなアイソレ
ーションをとれる。設計例として、波長0.78μmに
対して分波部で2006B/cmの放射損失があれば、
アイソレーション19d8以上、光検出器への結合効率
90%程度がとれる。
-0.13μ field part wavelength 0.78μ■ and 0.89μ
Both lights of the cabinet are guided, and light with a wavelength of 0.78 prn is emitted to the substrate at a portion of d = 0.24 μm, and d
A wavelength of 0.89 μl can be emitted to the substrate in the +=0.27 μm portion. At this time, the loss curve in Fig. 4 is steep on the short wavelength side and gentle on the long wavelength side, so for example, when cascading demultiplexers with wavelengths of 0.78 μm and 0.89 μm, the light with a wavelength of 0.78 μm is placed first. By splitting the wavelength into 0.89 μm, greater isolation can be achieved for light with a wavelength of 0.89 μm. As a design example, if there is a radiation loss of 2006B/cm in the demultiplexer for a wavelength of 0.78μm,
The isolation is 19d8 or more, and the coupling efficiency to the photodetector is about 90%.

また第3図に示した損失特性において、高放射損失(高
透過率)が得られる膜厚d+の範囲が非常に狭く、10
06B/c11以上の損失を得るには数人程度の高精度
の膜厚制御が要求される。そこで、この膜厚精度の許容
幅を拡大させるために、第5図に示すように第2クラッ
ド層52と基板50との間に無反射コート層60a及び
60bをそれぞれ設け、膜厚精度の許容幅を拡大するこ
とが可能になる。
Furthermore, in the loss characteristics shown in Fig. 3, the range of film thickness d+ in which high radiation loss (high transmittance) can be obtained is very narrow;
In order to obtain a loss of 06B/c11 or more, several people are required to control the film thickness with high precision. Therefore, in order to expand the allowable range of film thickness accuracy, anti-reflection coating layers 60a and 60b are provided between the second cladding layer 52 and the substrate 50, respectively, as shown in FIG. It becomes possible to expand the width.

この無反射コート層60a及び60bを設けたときの特
性を第6図に示す。横軸は第1クラッド層53の膜厚を
示し、縦軸は単位長当たりの放射損失を示す。用いた光
の波長は0.633μmであり、実線は無反射コート層
がないときの特性を示し、破線は無反射コート層として
Tie、層を用いたと−きの特性を示し、一点鎖線は無
反射コート層として屈折率1.52のC7059ガラス
を用いたときの特性を示す。
FIG. 6 shows the characteristics when the anti-reflection coating layers 60a and 60b are provided. The horizontal axis shows the film thickness of the first cladding layer 53, and the vertical axis shows the radiation loss per unit length. The wavelength of the light used was 0.633 μm, the solid line shows the characteristics without the anti-reflection coating layer, the broken line shows the characteristics when the Tie layer is used as the anti-reflection coating layer, and the dashed line shows the characteristics without the anti-reflection coating layer. The characteristics are shown when C7059 glass with a refractive index of 1.52 is used as the reflective coating layer.

尚、第1クラッド層、第2クラッド層及びコアの材料及
び膜厚は第3図で用いた材料及び膜厚と同一である。第
6図から明らかなように無反射コート60a及び60b
を基板50と第2クラッド層52との間に設けることに
より高透過率特性を得る膜厚許容幅が拡大され、製造過
程における膜厚制御が一層容易になる。
The materials and thicknesses of the first cladding layer, second cladding layer, and core are the same as those used in FIG. 3. As is clear from FIG. 6, anti-reflection coats 60a and 60b
By providing this between the substrate 50 and the second cladding layer 52, the allowable range of film thickness for obtaining high transmittance characteristics is expanded, and film thickness control in the manufacturing process becomes easier.

尚、第3図及び第4図に示す損失曲線において高反射率
特性部(低損失特性部)は第2クラッド層の膜厚又は伝
播波長に対して広い範囲に亘って平坦になり高透過率部
(高損失特性部)では急峻となる方が、分波器を構成す
る場合にアイソレージョンを大きくとることができ設計
上極めて有益である。この目的を達成するためには共振
反射クラッドを低屈折率の第2クラッド層と高屈折率の
第1クラッド層の2層1組の構成から、更に4層2組又
は多層で構成すればよい。
In the loss curves shown in Figures 3 and 4, the high reflectance characteristic part (low loss characteristic part) is flat over a wide range with respect to the film thickness of the second cladding layer or the propagation wavelength, resulting in high transmittance. A steeper section (high-loss characteristic section) is extremely advantageous in terms of design because it allows greater isolation when constructing a duplexer. In order to achieve this purpose, the resonant reflective cladding may be configured from one set of two layers, a second cladding layer with a low refractive index and a first cladding layer with a high refractive index, to two sets of four layers or a multilayer structure. .

第7図に本発明による光回路をコヒーレント光通信に応
用した例を示す。分波受光集積回路素子を有する本発明
による光回路をコヒーレント光通信信号に適用する場合
局部発振器(光源)からの光と信号光とを混合してから
光検出器に入射させねばならない。このためには第7図
に示す光回路が好適である。基板100の入射側に3本
の伝送路101、102及び103を形成する。光ファ
イバ等の外部伝送路から波長λ1′及びλ2′の互いに
波長域がある程度離れた信号光を第1の伝送路101に
入射させる。これらλ8′及びλ2′の光は高精度に波
長制御された光が変調され僅かにスペクトルが広がって
いるものとする。第2の伝送路102から高精度に周波
数制御され波長λ1′に近い波長λ。
FIG. 7 shows an example in which the optical circuit according to the present invention is applied to coherent optical communication. When the optical circuit according to the present invention having a demultiplexing light-receiving integrated circuit element is applied to coherent optical communication signals, the light from the local oscillator (light source) and the signal light must be mixed before entering the photodetector. For this purpose, the optical circuit shown in FIG. 7 is suitable. Three transmission lines 101, 102, and 103 are formed on the incident side of the substrate 100. Signal lights of wavelengths λ1' and λ2' whose wavelength ranges are separated from each other to some extent are made incident on the first transmission line 101 from an external transmission line such as an optical fiber. It is assumed that these lights of λ8' and λ2' are highly precisely wavelength-controlled, modulated, and have a slightly broadened spectrum. The wavelength λ close to the wavelength λ1' is frequency-controlled with high precision from the second transmission line 102.

の光を入射する。第1の伝送路101と第2の伝送路1
02とを光方向性結合器104で結合すると、λ1の光
とλ1′十λ2′の光とが混合され、2条の光束として
λ、′+λ2′+λ、の光束が第4及び第5の伝送路1
05及び106にそれぞれ出力される。
incident light. First transmission line 101 and second transmission line 1
02 by the optical directional coupler 104, the light of λ1 and the light of λ1' + λ2' are mixed, and the light beams of λ,'+λ2'+λ are combined as the fourth and fifth beams as two light beams. Transmission line 1
05 and 106, respectively.

これら第4及び第5の伝送路105及び106の出力側
にλ、及びλ1′の光だけを透過する波長分離領域及び
光検出器を一体的に形成した光素子107及び108を
それぞれ形成し、これら光素子107及び108によっ
てλ、′の信号光のコヒーレント検波を行なう。
On the output sides of these fourth and fifth transmission lines 105 and 106, optical elements 107 and 108 are formed, respectively, which integrally form a wavelength separation region and a photodetector that transmit only light of λ and λ1', These optical elements 107 and 108 perform coherent detection of signal light of λ,'.

一方、伝送路106に形成した光素子108はλ2′の
信号光を共振反射クラッドによってコア方向に反射する
のでλ2′の信号光は更に導波し進行する。この伝送路
106を方向性光結合器109によって第3の伝送路1
03と結合し、λ2の光とλ2′の信号光とを混合して
λ2+λ2′の光束とし、2本の伝送路を経て2個の光
検出器110及び111に伝送する。そして、2個の光
検出器110及び111によってλ2の信号光のビート
信号をコヒーレント検波する。一般に信号光λ1′及び
λ2′はλ。
On the other hand, since the optical element 108 formed in the transmission path 106 reflects the signal light of λ2' toward the core by the resonant reflective cladding, the signal light of λ2' is further guided and travels. This transmission line 106 is connected to the third transmission line 1 by a directional optical coupler 109.
03, the light of λ2 and the signal light of λ2' are mixed into a light beam of λ2+λ2', which is transmitted to two photodetectors 110 and 111 via two transmission paths. Then, the two photodetectors 110 and 111 coherently detect the beat signal of the signal light of λ2. Generally, the signal lights λ1' and λ2' are λ.

及びλ2の光よりも数十dB以下の強度であるので、1
07、108.110.及び111の光検出器でコヒー
レント検波された中間周波数のビート信号には極めて大
きな直流成分が含まれている。このため、各信号光につ
いて2個の光検出器を用いることによって直流成分をバ
ランスさせて除去することができる。このような光通信
に本発明による光回路を適用すれば、シリコン基板に各
伝送路及び光素子を一体的に集積化することができる。
The intensity is several tens of dB or less than the light of λ2, so 1
07, 108.110. The intermediate frequency beat signal coherently detected by the photodetectors 111 and 111 contains an extremely large DC component. Therefore, by using two photodetectors for each signal light, the DC component can be balanced and removed. If the optical circuit according to the present invention is applied to such optical communication, each transmission path and optical element can be integrally integrated on a silicon substrate.

本発明は上述した実施例だけに限定されるものではなく
種々の変形が可能である。例えば上述した実施例では、
基板としてシリコン基板を用いたが、GaAs基板やI
nP基板等を用いることもできる。
The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications are possible. For example, in the embodiment described above,
Although a silicon substrate was used as the substrate, a GaAs substrate or an I
An nP substrate or the like can also be used.

更に、上述した実施例では、空気層と共振反射クラッド
とによって光を反射し導波する構成としたが、コアの両
側にそれぞれ共振反射クラッドを形成して導波する構成
とすることも勿論可能である。
Furthermore, in the above-described embodiment, the light is reflected and guided by the air layer and the resonant reflective cladding, but it is of course also possible to form a resonant reflective cladding on both sides of the core and guide the light. It is.

(発明の効果) 以上説明したように本発明によれば、基板上に低屈折率
クラッド層及び高屈折率クラッド層を順次被着して共振
反射クラッドを形成し、この共振反射クラッド王に低屈
折率透明誘電体層を被着してコア部を形成し、いずれか
のクラッド層の膜厚を部分的に変えて特定の波長光だけ
を基板方向へ透過させる波長分離領域を形成することが
できる。
(Effects of the Invention) As explained above, according to the present invention, a resonant reflective cladding is formed by sequentially depositing a low refractive index cladding layer and a high refractive index cladding layer on a substrate, and a low refractive index cladding layer is formed on the resonant reflective cladding king. It is possible to form a core part by depositing a refractive index transparent dielectric layer, and partially change the film thickness of one of the cladding layers to form a wavelength separation region that transmits only light of a specific wavelength toward the substrate. can.

この結果薄膜形成だけで光分波器として機能する光回路
を作成することができ、光ファイバとの結合部を除いて
は複雑な組立作業が不要になる。
As a result, it is possible to create an optical circuit that functions as an optical demultiplexer by simply forming a thin film, and no complicated assembly work is required except for the coupling part with the optical fiber.

また、基板としてシリコン等の半導体基板を用いれば、
先導波路、光分波器、及び光検出器を基板上にモノリシ
ック集積化することができる。
Furthermore, if a semiconductor substrate such as silicon is used as the substrate,
The guide waveguide, optical demultiplexer, and photodetector can be monolithically integrated on the substrate.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明で用いる共振反射光導波路の一例の構成
を示す線図、 第2図は本発明による光回路の一例の構成を示す線図、 第3図は第1クラッド層の膜厚と放射損失特性の関係を
示すグラフ、 第4図は伝播波長と放射損失特性の関係を示すグラフ、 第5図は本発明による光回路の変形例の構成を示す線図
、 第6図は無反射コートを設けた場合の第1クラッド層の
膜厚と損失特性の関係を示すグラフ、第7図は本発明に
よる光回路をコヒーレント光通信に適用した例を示す線
図的斜視図、第8図及び第9図は従来の光分波器、光合
波器の構成を示す線図である。 40・・・半導体基板 4L 52・・・第1クラッド層 42、53・・・第2クラッド層 43、54・・・コア部 50・・・シリコン基板 51a、51b・・・光検出器 55a、55b・・・分離領域 60a、60b・・・無反射コート 第3図 うヒ1クフフドlad硬9〒’dt Oun )  −
第4図 第5図 第6図 オ1クラッド層/)片受ノ¥dtOtm)−第7図 第8図
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an example of a resonant reflective optical waveguide used in the present invention, FIG. 2 is a diagram showing the configuration of an example of an optical circuit according to the present invention, and FIG. 3 is a diagram showing the film thickness of the first cladding layer. FIG. 4 is a graph showing the relationship between propagation wavelength and radiation loss characteristics. FIG. 5 is a diagram showing the configuration of a modified example of the optical circuit according to the present invention. FIG. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the film thickness of the first cladding layer and loss characteristics when a reflective coat is provided; FIG. 7 is a diagrammatic perspective view showing an example in which the optical circuit according to the present invention is applied to coherent optical communication; FIG. 9 and 9 are diagrams showing the configuration of a conventional optical demultiplexer and optical multiplexer. 40... Semiconductor substrate 4L 52... First cladding layer 42, 53... Second cladding layer 43, 54... Core part 50... Silicon substrate 51a, 51b... Photodetector 55a, 55b...Separation areas 60a, 60b...Non-reflective coating Figure 3
Figure 4 Figure 5 Figure 6

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、光ビームを伝播させるコア部と、 コア部に隣接しコア部の屈折率よりも高い 屈折率の第1クラッド層、及び第1クラッド層に隣接し
第1クラッド層よりも低い屈折率の第2クラッド層を有
し、1又はそれ以上の特定波長域の光に対してコア方向
への強い反射特性を有する共振反射クラッド部と、 前記第1クラッド層又は第2クラッド層の 少なくとも一方の膜厚を部分的に変えることによって形
成され、前記特定波長域の光のうち少なくとも1つの波
長域の光だけを透過させる波長分離領域とを有すること
を特徴とする光回路。 2、前記第1クラッド層及び第2クラッド層を交互に複
数層積層したことを特徴とする特許請求の範囲第1項記
載の光回路。 3、波長の異なる複数の光を、それぞれ各別に透過する
複数の波長分離領域を形成したことを特徴とする特許請
求の範囲第1項記載の光回路。 4、前記第2クラッド層、第1クラッド層及びコア部を
半導体基板上に形成したことを特徴とする特許請求の範
囲第1項記載の光回路。 5、前記半導体基板としてシリコン基板を用い、このシ
リコン基板に光検出器を形成し、この光検出器の位置と
対応する位置に前記波長分離領域を形成したことを特徴
とする特許請求の範囲第4項記載の光回路。 6、前記波長分離領域と光検出器との間に無反射コート
層を形成したことを特徴とする特許請求の範囲第5項記
載の光回路。
[Claims] 1. A core portion through which a light beam propagates, a first cladding layer adjacent to the core portion and having a refractive index higher than the refractive index of the core portion, and a first cladding layer adjacent to the first cladding layer. a resonant reflective cladding portion having a second cladding layer having a refractive index lower than that of the first cladding layer or the second cladding layer and having a strong reflection characteristic toward the core for light in one or more specific wavelength ranges; An optical circuit characterized by having a wavelength separation region formed by partially changing the thickness of at least one of the cladding layers and transmitting only light in at least one wavelength range among the light in the specific wavelength range. . 2. The optical circuit according to claim 1, wherein a plurality of the first cladding layers and the second cladding layers are alternately stacked. 3. The optical circuit according to claim 1, characterized in that a plurality of wavelength separation regions are formed, each of which transmits a plurality of light beams having different wavelengths. 4. The optical circuit according to claim 1, wherein the second cladding layer, the first cladding layer, and the core portion are formed on a semiconductor substrate. 5. A silicon substrate is used as the semiconductor substrate, a photodetector is formed on the silicon substrate, and the wavelength separation region is formed at a position corresponding to the position of the photodetector. The optical circuit according to item 4. 6. The optical circuit according to claim 5, characterized in that an anti-reflection coating layer is formed between the wavelength separation region and the photodetector.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH0285805A (en) * 1988-09-22 1990-03-27 Canon Inc Wavelength demultiplexing detector
JPH075334A (en) * 1993-04-22 1995-01-10 Internatl Business Mach Corp <Ibm> Selection device of frequency in optical communication

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