JPWO2014050230A1

JPWO2014050230A1 - 高次モードフィルタ

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Publication number: JPWO2014050230A1
Application number: JP2014538230A
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Inventors: 重樹高橋
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Abstract

リブ導波路型の高次モードフィルタが、板状のスラブ領域１と、スラブ領域１上に、光の導波方向に沿って帯状に形成された突起部２と、スラブ領域１の両側方のうちの一方または両方に設けられ、スラブ領域１の底面と等しい高さに位置する底面、およびスラブ領域の上面よりも高い位置にある上面を有するメサ領域４と、を有し、突起部２とスラブ領域１とメサ領域４とは同一の材料からなり、メサ領域４は、材料への不純物ドーピングによって光吸収機能が付与されたドーピング領域４ａを含む。

Description

本発明は、光導波路中の高次モード光やそれに伴う漏洩モード光を減少させる高次モードフィルタに関するものである。

光導波路を有する光学素子において、光導波路中の高次モード光やそれに伴う漏洩モード光（以下、これらをまとめて「高次モード光」と言う）が光学素子の性能劣化を招くのを防止するために、高次モード光を減少させる高次モードフィルタが知られている。例えば、特許文献１には、半導体基板にリッジ部が形成され、このリッジ部と、リッジ部の両側方に位置するクラッド領域との間にそれぞれ溝が形成された半導体レーザダイオードが開示されている。この半導体レーザダイオードでは、クラッド領域の上面は溝の底面よりも高い位置にあって、リッジ部の上面はクラッド領域の上面よりも高い位置にあり、横モードの単一化を図っている。

特許第４０９４７５６号

特許文献１に記載の高次モードフィルタによると、比較的簡易に光導波路中から高次モード光を除去することが可能である。しかし、除去した高次モード光は、光導波路を導波しなくなるものの、クラッド領域やスラブ領域を通って周囲に散逸し、光学素子中で迷光となる。特に、近年研究が盛んなシリコン光集積回路や、複数の機能素子が集積された光学素子等では、迷光が光導波路以外の部位に悪影響を及ぼすことが問題となっている。例えば、他の部位を導波している光信号の雑音を増大させたり、他の部位で動作している合波・分波デバイスの特性を悪化させたりするなど、様々な問題が発生する。

本発明は、この課題を解決するためになされたものであり、その目的は、迷光の発生を抑制しつつ、基本モード損失を低く抑え、高次モード光を効率的に除去する高次モードフィルタを提供することにある。

本発明のリブ導波路型の高次モードフィルタは、板状のスラブ領域と、スラブ領域上に、光の導波方向に沿って帯状に形成された突起部と、スラブ領域の両側方のうちの一方または両方に設けられ、スラブ領域の底面と等しい高さに位置する底面、およびスラブ領域の上面よりも高い位置にある上面を有するメサ領域と、を有し、突起部とスラブ領域とメサ領域とは同一の材料からなり、メサ領域は、材料への不純物ドーピングによって光吸収機能が付与されたドーピング領域を含むことを特徴とする。

本発明に係る高次モードフィルタによれば、光導波路を有する様々な光学素子において、迷光の発生を抑制しつつ、基本モード損失を低く抑え、高次モード光を効率的に除去することが可能である。

本発明の高次モードフィルタの基礎となる光導波路を概略的に示す断面図である。メサ領域が存在しない場合の光導波路のＴＥ−ｌｉｋｅモード電界振幅プロファイル（Ｘ成分）であって、基本モードの電界振幅プロファイルを示す説明図である。メサ領域が存在しない場合の光導波路のＴＥ−ｌｉｋｅモード電界振幅プロファイル（Ｘ成分）であって、１次モードの電界振幅プロファイルを示す説明図である。本発明の第１の実施形態の高次モードフィルタを概略的に示す断面図である。本発明の第２の実施形態の高次モードフィルタを概略的に示す断面図である。図４に示す高次モードフィルタにおける、基本モード損失および高次モード損失と非ドーピング領域高さＤndとの関係を示すグラフである。本発明の第３の実施形態の高次モードフィルタを概略的に示す断面図である。図６に示す高次モードフィルタにおける、基本モード損失および高次モード損失と非ドーピング領域高さＤndとの関係を示すグラフである。本発明の第４の実施形態の高次モードフィルタを概略的に示す断面図である。本発明の第５の実施形態の高次モードフィルタを概略的に示す断面図である。図９ａに示す高次モードフィルタの変形例を概略的に示す断面図である。本発明の他の実施形態の高次モードフィルタを概略的に示す断面図である。本発明の他の実施形態の高次モードフィルタを概略的に示す断面図である。本発明の他の実施形態の高次モードフィルタを概略的に示す断面図である。本発明の他の実施形態の高次モードフィルタを概略的に示す断面図である。本発明の他の実施形態の高次モードフィルタを概略的に示す断面図である。本発明の他の実施形態の高次モードフィルタを概略的に示す断面図である。本発明の他の実施形態の高次モードフィルタを概略的に示す断面図である。本発明の他の実施形態の高次モードフィルタを概略的に示す断面図である。本発明の他の実施形態の高次モードフィルタを概略的に示す断面図である。本発明の他の実施形態の高次モードフィルタを概略的に示す断面図である。本発明の他の実施形態の高次モードフィルタを概略的に示す断面図である。本発明の第３の実施形態の高次モードフィルタの変形例を概略的に示す平面図である。図１１ａに示す高次モードフィルタのａ−ａ線断面図である。本発明の第３の実施形態の高次モードフィルタの他の変形例を概略的に示す平面図である。図１２ａに示す高次モードフィルタのｂ−ｂ線断面図である。本発明の第３の実施形態の高次モードフィルタの他の変形例を概略的に示す平面図である。図１３ａに示す高次モードフィルタのｃ−ｃ線断面図である。本発明の第１の実施形態の高次モードフィルタの変形例を概略的に示す平面図である。本発明の第１の実施形態の高次モードフィルタの他の変形例を概略的に示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

最初に、本発明に係る高次モードフィルタの基本構造について説明する。図１に示すように、本発明の高次モードフィルタは、平板状のスラブ領域１と、スラブ領域１の上に光の導波方向に沿って帯状に形成された突起部（リッジ部）２とから成る光導波路（リブ導波路）３を有している。高次モードフィルタは、突起部２およびスラブ領域１の一方または両方の側方に、スラブ領域１の底面と同じ高さに位置する底面と、スラブ領域１の上面よりも高い位置にある上面とを有するメサ領域４を備えている。突起部２とスラブ領域１とメサ領域４は同一の材料からなり、メサ領域４には不純物ドーピングが施されている。

リブ導波路３は、突起部１によって、横方向（Ｘ方向）における光の閉じ込めが図られている。リブ導波路３を構成する材料としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＳｉＳｎ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＺｎＳｅなどの半導体や、ＬｉＮｂＯ_３などの誘電体が用いられる。これらの材料に注入される不純物としては、例えば、Ｂ、Ａｓ、Ｐ、Ｚｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ａｌ、Ｃ、Ｏ、Ｈ、Ａｕ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｃｕ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｂｅ、Ｍｎ、Ｅｒ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ａｒなどが挙げられる。また、図示しないが、リブ導波路３を取り囲む周囲は、突起部２およびスラブ領域１よりも低屈折率であればよく、固体、空気などの気体、または水などの液体が存在していてもよく、真空であってもよい。

次に、本発明に係る複数の実施形態の高次モードフィルタの詳細な構造について、図面を参照して説明する。以下の説明では、具体的な性能を示すため、突起部２とスラブ領域１とメサ領域４がＳｉからなり、その周囲を取り囲む図示しないクラッド領域がＳｉＯ_２からなるリブ導波路３をモデルとしている。そして、３次元ビーム伝播法を用いた理論計算の結果を必要に応じて示す。計算に用いた光の波長は、真空中で１．５５μｍであり、それに対するＳｉの屈折率は３．４８、ＳｉＯ_２の屈折率は１．４６である。構造パラメータは、突起部２の幅（リブ導波路３の幅）Ｗ＝１．４μｍ、リブ導波路３の高さＨ＝１．０μｍ、突起部２の高さＤ＝０．５μｍ、スラブ領域１の厚さＤｓ＝０．５μｍ、スラブ領域の幅Ｗｓ＝２．２μｍ、メサ領域４の高さＤｍ＝１．０μｍである。メサ領域４の幅Ｗｍについては、実用上、波長に対して１０倍程度以上の大きさの場合は半無限とみなしても同等の結果が得られるため、計算においては半無限としている。また、メサ領域４における不純物ドーピングのドーピング濃度Ｎｄ＝１×１０²⁰ｃｍ^-3とした。Ｓｉ中にＢやＰなどの不純物をＮｄ＝１×１０²⁰ｃｍ^-3の濃度で注入した場合、生成される自由キャリアにより、不純物ドーピングを施した領域では０．４ｄＢ／μｍ程度の光吸収が発生する。また、キャリアプラズマ効果により、０．１程度の屈折率低下が発生する。元々のＳｉの屈折率が３．４８であることを考えると僅かな屈折率変化であるが、本発明では、この特徴を巧みに利用し、基本モード損失を低く抑え、迷光の発生を抑制しつつ、高次モード光を効率的に除去する。

このような構造パラメータを持つリブ導波路３において、メサ領域４が無いと仮定した場合の（すなわちスラブ領域１の幅Ｗｓを１０μｍ以上にした場合の）ＴＥ−ｌｉｋｅ伝播モードの電界振幅プロファイル（Ｘ成分）を、ドットの濃淡を用いて図２に示している。このリブ導波路３には、図２ａに示した基本モードの他に、図２ｂに示した１次モードが伝播モードとして存在する。

以下に説明する本発明の実施形態において、具体的な性能を議論する場合には、この１次モード光を除去すべき高次モード光とし、伝播モードとして存在する高次モード光の光エネルギーが、光導波路中を１ｍｍ伝播する間に受ける損失を高次モード損失と呼ぶ。同様に、伝播モードとして存在する基本モード光の光エネルギーが、光導波路中を１ｍｍ伝播する間に受ける損失を基本モード損失と呼ぶ。一般的に、高次モードフィルタには、基本モード損失を低く抑えつつ、同時に、高次モード損失を高めることが求められる。ただし、前記したとおり、たとえ高次モード損失が高くても、光導波路中から除去された高次モード光が迷光になると、多くの問題を引き起こす。従って、除去された高次モード光のエネルギーを、光導波路近傍で効率的に別の形態に変換することが重要である。なお、以上の説明で例示した具体的な形態は、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態を、図３を用いて説明する。図３は、第１の実施形態における高次モードフィルタの概略断面図である。メサ領域４の全域に不純物ドーピングが施されている。仮にメサ領域４に不純物ドーピングが施されていない場合には、リブ導波路３中から除去された高次モード光は、スラブ領域１、メサ領域４、クラッド領域、基板等を通して周囲に散逸し、光学素子中に大量の迷光が発生する。これに対し、図３に示す本実施形態の高次モードフィルタにおいては、メサ領域４に不純物ドーピングによって光吸収機能が付与されているため、リブ導波路３中から除去された高次モード光は、メサ領域４に吸収され、そのほとんどが光エネルギーから熱エネルギーに変換される。従って、迷光の発生が抑制される。

３次元ビーム伝播法を用いた理論計算の結果、図３に示す高次モードフィルタに先述の構造パラメータを適用した場合、高次モード損失は５５ｄＢ／ｍｍである。すなわち、高次モードフィルタ中で、高次モード光は、２００μｍ伝播する間に９０％以上除去される。また、除去された高次モード光は、突起部１からＸ方向に±１０μｍ以内のメサ領域４内にほぼ全て吸収され、迷光の発生を抑制できることが確認された。

さらに、ドーピング領域ではキャリアプラズマ効果により屈折率が低下し、ドーピング領域と非ドーピング領域との屈折率の差によって、基本モード光を閉じ込めることができる。従って、突起部１の側方に、不純物ドーピングされたメサ領域４が存在することによって、基本モード光を突起部１およびその近傍に閉じ込めることができる。これにより、基本モード損失を低く抑えることが可能である。例えば、突起部１とスラブ領域２とメサ領域４の材料としてＳｉを用い、それらの周囲を取り囲むクラッド領域の材料としてＳｉＯ_２を用いたリブ導波路３の場合、前記したとおり、ドーピング領域に誘起される屈折率低下は高々０．１程度であり、ＳｉとＳｉＯ_２の屈折率差に比べると非常に小さい。従って、この程度の屈折率変化の影響は無視できると考えられる。しかしながら、発明者の理論計算によると、本発明の高次モードフィルタにおいては、スラブ領域１に染み出す基本モード光の電界は、この僅かな屈折率変化に応じて、電界をメサ領域４よりも内側に閉じ込めることが可能であることが明らかになった。これによって、メサ領域４に進入する基本モード光の電界が減り、基本モード光がメサ領域４に散逸することを防ぐことができる。

３次元ビーム伝播法を用いた理論計算の結果、図３に示す高次モードフィルタに先述の構造パラメータを適用した場合、不純物ドーピングを行う前の基本モード損失は５．２ｄＢ／ｍｍであるのに対し、メサ領域４に不純物ドーピングを行うと０．６ｄＢ／ｍｍにまで抑えられることが確認された。

なお、本発明の効果を有効に引き出すためには、突起部２とスラブ領域１とメサ領域４とを同一の材料で形成することが必要である。何故ならば、リブ導波路３を導波する高次モード光において、スラブ領域１に染み出す電界は屈折率差に非常に敏感であり、突起部２とスラブ領域１とメサ領域４の屈折率を誤差１％程度以下で安定的に整合させる必要があるからである。本実施形態と、後述する全ての実施形態は、突起部２とスラブ領域１とメサ領域４とを同一の材料で形成することを前提として、不純物ドーピングによって誘起される僅かな屈折率変化を巧みに利用したものである。

［第２の実施形態］
次に、本発明の高次モードフィルタの第２の実施形態を図４に示す。本実施形態では、メサ領域４が、上方のドーピング領域４ａと、ドーピング領域４ａの下部に隣接する高さＤndの非ドーピング領域４ｂとからなる。この構成によると、高次モード光の電界が非ドーピング領域４ｂを通してメサ領域４へと侵入し、効果的に高次モード光をドーピング領域４ａで吸収させることが可能である。

３次元ビーム伝播法を用いた理論計算の結果、図４に示す高次モードフィルタに先述の構造パラメータを適用し、非ドーピング領域高さＤnd＝０．４μｍとした場合、高次モード損失は１５７ｄＢ／ｍｍにまで増大した。また、この場合も、除去された高次モード光は、突起部２からＸ方向に±１０μｍ以内のメサ領域４内にほぼ全て吸収され、迷光の発生を抑制できることが確認された。

一方、図２ａ，２ｂからもわかるように、基本モード光は高次モード光に比べてスラブ領域１への電界の染み出しが元々少ないため、非ドーピング領域４ｂが存在してもその影響を受けにくい。従って、第１の実施形態と同様に、不純物ドーピングによる屈折率低下の効果により基本モード光は突起部２の近傍に閉じ込められ、基本モード損失を低く抑えることが可能である。３次元ビーム伝播法を用いた理論計算の結果、図４に示す高次モードフィルタに先述の構造パラメータを適用し、非ドーピング領域高さＤnd＝０．４μｍとした場合に、基本モード損失を０．４ｄＢ／ｍｍにまで抑えられることが確認された。

なお、基本モード損失を抑制しつつ高次モード光を効率的に除去するという観点から、非ドーピング領域高さＤndとスラブ領域厚さＤｓが次の式（１）を満たすことが望ましい。
０＜Ｄnd＜Ｄｓ・・・（１）
何故ならば、この条件を満たすとき、スラブ領域１へ染み出した基本モード光の電界は、スラブ領域１の上面よりも下方へ張り出した低屈折率のドーピング領域４ａの存在によって、より突起部２の近傍に閉じ込められるからである。

図５に、基本モード損失および高次モード損失と、非ドーピング領域４ｂの高さＤndとの関係（基本モード損失および高次モード損失の、非ドーピング領域４ｂの高さＤndに関する依存性）について計算した結果を示す。図５において、Ｄnd＜Ｄs（すなわちＤnd＜Ｄｍ／２＝０．５μｍ）のとき、僅かながら存在する基本モード光の電界のスラブ領域１への染み出しを効果的に抑えることが可能であり、基本モード損失を大幅に抑制可能であることが確認された。一方で高次モード損失は、上述の原理により、Ｄnd＜Ｄｓであっても比較的高く維持することが可能である。従って、本実施形態においては、迷光を抑制する機能と高次モード光を除去する機能とを維持しつつ、基本モード損失を抑制するために、式（１）を満たすことが望ましい。

［第３の実施形態］
本発明の高次モードフィルタの第３の実施形態を図６に示す。本実施形態では、メサ領域４が、突起部２に近接して対向する非ドーピング領域４ｂと、その外側に位置するドーピング領域４ａとからなる。発明者の理論計算によると、本実施形態では、メサ領域４の内側端に位置する非ドーピング領域４ｂは、屈折率の低下したドーピング領域４ａを側部クラッドとして、メサ領域４を導波する光導波路のコアとなり得ることが判明した。このように、メサ領域４の非ドーピング領域４ｂをコアとしドーピング領域４ａをクラッドとする光導波路を光が導波する光モードを、「メサ領域導波モード」と呼ぶ。すなわち、この構成においては、リブ導波路３（突起部）を導波する基本モード（リブ導波路基本モード）の光と、リブ導波路３（突起部）を導波する高次モード（リブ導波路高次モード）の光と、メサ領域４を導波する基本モードの光と、メサ領域４を導波する高次モードの光とが存在する。このうち、リブ導波路３（突起部）を導波する高次モードの光を除去することが求められている。メサ領域４を導波する基本モードの光とメサ領域４を導波する高次モードの光は、いずれか一方を除去することが求められているわけではなく、両者を区別して取り扱う必要はないため、以下の説明ではこれらを総称して「メサ領域導波モード」と称する。

突起部２が無いと仮定したときのメサ領域導波モードの有効屈折率と、メサ領域４が無いと仮定したときのリブ導波路高次モードの有効屈折率とが近ければ、２つの光モードが結合して、リブ導波路３を導波する高次モードの光がメサ領域４へ効率的に移行し、リブ導波路高次モードの光を除去する効果が大きい。一方、リブ導波路基本モードとメサ領域導波モードとが結合しないように、突起部２が無いと仮定したときのメサ領域導波モードの有効屈折率と、メサ領域４が無いと仮定したときのリブ導波路基本モードの有効屈折率とを離しておけば、リブ導波路基本モードの損失を抑制することが可能である。

従って、突起部２が無いと仮定したときのメサ領域導波モードの有効屈折率と、メサ領域４が無いと仮定したときの除去すべきリブ導波路高次モードの有効屈折率との差が、突起部２が無いと仮定したときのメサ領域導波モードの有効屈折率と、メサ領域４が無いと仮定したときのリブ導波路基本モードの有効屈折率との差に比べて小さくなるようにすれば、基本モード損失を低く抑え、かつ高次モード光を効率的に除去することが可能である。

また、第１〜２の実施形態と同様に、光導波路中から除去された高次モード光は、不純物ドーピングによって付与された光吸収機能によってメサ領域４内で吸収され、迷光の発生を抑制することが可能となる。

図６に示す高次モードフィルタに先述の構造パラメータを適用し、基本モード損失および高次モード損失と、非ドーピング領域４ｂの幅Ｗndとの関係（基本モード損失および高次モード損失の、非ドーピング領域４ｂの幅Ｗndに関する依存性）を計算した結果を図７に示す。Ｗnd＝０．３μｍのとき、上述の原理によりメサ領域導波モードの有効屈折率とリブ導波路高次モードの有効屈折率が近い値をとるため、リブ導波路３を導波する高次モード光は効率的にメサ領域４へと移行して吸収される。その結果、高次モード損失は３３３ｄＢ／ｍｍまで高くなる。一方で、メサ領域導波モードの有効屈折率とリブ導波路基本モードの有効屈折率が離れているため、リブ導波路基本モードはメサ領域導波モードと結合できず、基本モード光のメサ領域４への移行を防止することができる。その結果、基本モード損失を０．３ｄＢ／ｍｍに抑制可能である。Ｗnd＝１．２μｍのときもメサ領域導波モードの有効屈折率とリブ導波路高次モードの有効屈折率が近い値をとるため、高次モード損失は１５６ｄＢ／ｍｍにまで高くなる。しかし、この場合は、メサ領域導波モードの有効屈折率とリブ導波路基本モードの有効屈折率も近い値をとるため、基本モード損失も４５ｄＢ／ｍｍと大きくなってしまい、高次モードフィルタとしては望ましくない。このように、非ドーピング領域４ｂの幅Ｗndを調整することによって、メサ領域導波モードの数や有効屈折率を制御して、不要な光モードのみが除去されるように調整することが可能である。

なお、これらの場合も、Ｗndの値に関わらず、除去された高次モード光は、突起部２からＸ方向に±１０μｍ以内のメサ領域４内でほぼ全て吸収され、迷光の発生を抑制できることが確認された。

［第４の実施形態］
本発明の高次モードフィルタの第４の実施形態を図８に示す。本実施形態では、メサ領域４が、下方のドーピング領域４ａと、ドーピング領域４ａの上部に隣接する非ドーピング領域４ｂとからなる。この構成によると、メサ領域４の最上部の非ドーピング領域４ｂは、屈折率の低下したドーピング領域４ａを下部クラッドとして、メサ領域導波モードのコアとなり得る。従って、第３の実施形態と同様に、突起部２が無いと仮定したときのメサ領域導波モードの有効屈折率と、メサ領域４が無いと仮定したときの除去すべきリブ導波路高次モードの有効屈折率との差が、突起部２が無いと仮定したときのメサ領域導波モードの有効屈折率と、メサ領域４が無いと仮定したときのリブ導波路基本モードの有効屈折率との差に比べて小さくなるようにすれば、基本モード損失を低く抑え、かつ高次モード光を効率的に除去することが可能である。また、光導波路中から除去された高次モード光は、不純物ドーピングによって付与された光吸収機能によってメサ領域４内で吸収され、迷光の発生を抑制することが可能となる。

［第５の実施形態］
本発明の高次モードフィルタの第５の実施形態を図９ａ，９ｂに示す。本実施形態では、図９ａに示すように、メサ領域４が、突起部２に近接して対向するドーピング領域４ａと、その外側に位置する非ドーピング領域４ｂとからなる。本実施形態では、メサ領域４の外側端に位置する非ドーピング領域４ｂは、屈折率の低下したドーピング領域４ａを側部クラッドとして、メサ領域４を導波する光導波路のコアとなり得る。従って、突起部２が無いと仮定したときのメサ領域導波モードの有効屈折率と、メサ領域４が無いと仮定したときの除去すべきリブ導波路高次モードの有効屈折率との差が、突起部２が無いと仮定したときのメサ領域導波モードの有効屈折率と、メサ領域４が無いと仮定したときのリブ導波路基本モードの有効屈折率との差に比べて小さくなるようにすれば、基本モード損失を低く抑え、かつ高次モード光を効率的に除去することが可能である。また、光導波路中から除去された高次モード光は、不純物ドーピングによって付与された光吸収機能によってメサ領域４内で吸収され、迷光の発生を抑制することが可能となる。

本実施形態の変形例として、図９ｂに示すように、非ドーピング領域４ｂのさらに外側にもう１つのドーピング領域４ａを有する構成にすることもできる。この構成でも実質的に同様な効果が得られる。

以上説明した本発明の第２〜５の実施形態では、メサ領域４のドーピング領域４ａの上方、下方、右側方、左側方のいずれか１つに非ドーピング領域４ｂが設けられている。しかし、図１０ａ〜１０ｋに示す様々な実施形態のように、ドーピング領域４ａの上方、下方、右側方、左側方のうちのいずれか２つ、またはいずれか３つ、または全てに非ドーピング領域４ｂが設けられていてもよい。これらの場合も、第２〜５の実施形態のいずれかと同様な原理が働き、迷光の発生を抑制可能で、かつ高次モードの除去性能の高い高次モードフィルタを構成することが可能である。

本発明の高次モードフィルタにおいて、メサ領域幅Ｗｍは任意の大きさであってよい。前記した計算例のように、リブ導波路幅Ｗに比べて極めて大きくてもよいし、リブ導波路幅Ｗと同程度であってもよい。メサ領域幅Ｗｍがリブ導波路幅Ｗに近い場合、メサ領域幅Ｗｍを調節することによってメサ領域導波モードの有効屈折率を調整することが可能である。これによって、高次モード除去性能を向上させたり、特定の高次モードを選択して除去させたりすることが可能である。

以上の説明では、本発明の高次モードフィルタが、メサ領域高さＤｍとリブ導波路高さＨに関して、以下の式（２）が成り立つ構成である場合を例にとって説明した。
Ｄｍ＝Ｈ・・・（２）
しかしながら、Ｄｍ＞ＨまたはＤｍ＜Ｈの場合であっても、本発明によると同様な効果が得られる。ただし、Ｄｍ＝Ｈの場合には、リブ導波路３の形成とメサ領域４の形成とを同時に一括して行えるため、メサ領域４の形成のためのプロセスが追加されることがない。具体的には、例えば、１回のエッチングマスク形成プロセスと１回のエッチングプロセスと１回のエッチングマスク除去プロセスによって、突起部２とメサ領域４とを同時に形成できる。従って、作製の容易さを求める場合は、Ｄｍ＝Ｈであることが望ましい。

本発明の高次モードフィルタでは、ドーピング領域４ａがメサ領域４内に設けられていることを基本としているが、メサ領域４から多少はみ出していてもよい。ただし、基本モード光が大きな損失を受けないように、ドーピング領域４ａが突起部２に近づきすぎない構成にする必要がある。

本発明の高次モードフィルタにおいて、メサ領域４、ドーピング領域４ａ、非ドーピング領域４ｂ、突起部２のそれぞれの位置とサイズは、リブ導波路３の長手方向（光の導波方向）に沿って変化させてもよい。また、メサ領域４、ドーピング領域４ａ、非ドーピング領域４ｂの位置とサイズが、突起部２の両側方（右側と左側）で互いに異なっていてもよい。このように左右非対称の形状にすると、実際の高次モードフィルタの作製時の寸法誤差の許容範囲を大きくすることができ、安定して高次モード除去性能を発揮させることができる。また、除去すべき高次モードが複数ある場合に、全ての高次モードに対して、比較的高い除去性能を持つように設計することができる。

例えば、図１１ａ，１１ｂに示すように、非ドーピング領域４ｂの幅Ｗndが、リブ導波路３の長手方向（光の導波方向）に沿って変化している構成（第３の実施形態の変形例）では、非ドーピング領域４ｂをコアとしてメサ領域４を光が導波するメサ領域導波モードの有効屈折率も長手方向に沿って変化する。従って、仮に作製誤差があっても、非ドーピング領域４ｂのいずれかの箇所で、除去すべきリブ導波路高次モードの有効屈折率と一致し、大きな高次モード除去効果が得られる。

また、図１２ａ，１２ｂに示すように、メサ領域４の幅Ｗｍがリブ導波路３の長手方向（光の導波方向）に沿って変化する構成でも、メサ領域４を光が導波するメサ領域導波モードの有効屈折率が長手方向に沿って変化する。従って、仮に作製誤差があっても、メサ領域４のいずれかの箇所で、除去すべきリブ導波路高次モードの有効屈折率と一致し、大きな高次モード除去効果が得られる。さらに、図示しないが、突起部２の幅Ｗがリブ導波路３の長手方向（光の導波方向）に沿って変化する構成でも、同様の効果が得られる。

また、図１２ａ，１２ｂに示すように、メサ領域４の、高次モードフィルタの始端部側（光の入射側）の端部の幅Ｗｍを小さくすれば、リブ導波路３を導波する光が高次モードフィルタの始端部で反射されることを防ぐことも可能である。

メサ領域４の幅Ｗｍや突起部２の幅Ｗを長手方向に沿って変化させる場合に、リブ導波路３のコアを構成する材料とクラッドを構成する材料の界面に凹凸を形成すると、凹凸による散乱で若干の迷光が発生する可能性がある。これに対し、図１１ａ，１１ｂに示す構成のように、ドーピング領域４ａと非ドーピング領域４ｂの界面に凹凸を形成する場合は、ドーピング領域４ａと非ドーピング領域４ｂの屈折率差が小さいため、迷光の発生はより少ない。

図１３ａ，１３ｂに、非ドーピング領域幅Ｗｎｄが、突起部２の両側方（左右）でそれぞれ異なる大きさである構成（第３の実施形態の変形例）を概略的に示す。例えば、除去すべき高次モードが２つある場合、突起部２の左方の非ドーピング領域幅Ｗnd1を、除去すべき一方の高次モード光に合わせて設定し、突起部の右方の非ドーピング領域幅Ｗnd2を、除去すべき他方の高次モード光に合わせて設定することが可能である。このようにして、除去すべき複数の高次モード光の全てに対して大きな高次モード除去効果を得ることができる。

また、本発明の高次モードフィルタにおいて、メサ領域４は、突起部２の両側方（左右）のうち、いずれか片側のみに設けられていてもよい。こうすることによって、突起部２の側方であってメサ領域４が形成されていない位置に別の構造を形成することが可能になるとともに、基本モード損失をより小さくすることも可能である。また、メサ領域４は突起部２の両側方に設けられているが、ドーピング領域４ａは片側のみに設けられている構成であってもよい。

本発明の高次モードフィルタにおいて、基本となるリブ導波路３は曲げ導波路であり、突起部２が曲線状に形成されていてもよい。曲げ導波路を伝播する光は、曲げ導波路の外周側に向かって、スラブ領域１に大きく電界が染み出す。このとき、基本モード光よりも高次モード光の方が大きく電界が染み出すため、基本モード損失を低く抑えたまま、高次モード損失を更に高めることが可能である。この場合、曲げ導波路の外周側と内周側とで、メサ領域４、ドーピング領域４ａ、非ドーピング領域４ｂの位置とサイズが異なる構成であってもよく、また、図１４に示すように、外周側にのみメサ領域４やドーピング領域４ａが形成された構成（第１の実施形態の変形例）であってもよい。

本発明の高次モードフィルタにおいて、図１５に示すように、高次モードフィルタの始端部近傍もしくは終端部近傍の少なくとも一方において、突起部２の幅が連続的に変化するテーパー構造２ａを有する構成（第１の実施形態の変形例）であってもよい。一般的に、リブ導波路３は突起部２の幅Ｗが大きいほど基本モード光の導波損失が小さくなるが、高次モードフィルタ内においては、突起部２の幅Ｗを小さくすればするほど、高次モード光の電界はスラブ領域１に大きく染み出すので、高次モード損失をより大きくすることができる。従って、メサ領域４が設けられていない高次モードフィルタの外部では突起部２の幅Ｗを大きくし、メサ領域４が設けられている高次モードフィルタの内部では突起部２の幅Ｗを小さくし、その間を低損失に接続するために、テーパー構造２ａを設けることが有効である。

不純物ドーピング濃度をＮｄ、本発明の効果が現れる下限の不純物ドーピング濃度をＮthとすると、ドーピング領域４ａは以下の式（５）が成り立つ領域である。
Ｎｄ≧Ｎth・・・（５）
そして、非ドーピング領域４ｂは以下の式（６）が成り立つ領域である。
Ｎｄ＜Ｎth・・・（６）
Ｎthの値は、高次モードフィルタに要求される性能や導波路３の材料に依存し、例えば、上述の計算で用いたシリコンからなるリブ導波路３の場合、およそＮth＝１０¹⁹ｃｍ^-3である。なお、ドーピング領域４ａと非ドーピング領域４ｂの境界近傍では、ドーピング濃度Ｎｄが緩やかに変化していてもよい。

前記した実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下の付記に記載された内容には限られない。

（付記１）
板状のスラブ領域と、
前記スラブ領域上に、光の導波方向に沿って帯状に形成された突起部と、
前記スラブ領域の両側方のうちの一方または両方に設けられ、前記スラブ領域の底面と等しい高さに位置する底面、および前記スラブ領域の上面よりも高い位置にある上面を有するメサ領域と、を有し、
前記突起部と前記スラブ領域と前記メサ領域とは同一の材料からなり、
前記メサ領域は、前記材料への不純物ドーピングによって光吸収機能が付与されたドーピング領域を含む
リブ導波路型の高次モードフィルタ。

（付記２）
前記ドーピング領域は、前記不純物ドーピングによって、周囲の前記材料よりも屈折率が低下しており、
前記メサ領域は、前記ドーピング領域の上方と下方と右側方と左側方のうちの少なくとも一つに位置する非ドーピング領域を含む、付記１に記載の高次モードフィルタ。

（付記３）
前記メサ領域内において、前記非ドーピング領域が前記ドーピング領域の下方に設けられており、前記非ドーピング領域の高さＤndと前記スラブ領域の厚さＤｓが、０＜Ｄnd＜Ｄｓの関係を満たす、付記２に記載の高次モードフィルタ。

（付記４）
前記ドーピング領域に隣接して形成された前記非ドーピング領域が、前記メサ領域内で光を導波させるコアとなり、
前記突起部が無いと仮定したときのメサ領域導波モードの有効屈折率と、前記メサ領域が無いと仮定したときの、前記突起部を導波する除去すべき高次モードの有効屈折率との差が、前記突起部が無いと仮定したときのメサ領域導波モードの有効屈折率と、前記メサ領域が無いと仮定したときの、前記突起部を導波する基本モードの有効屈折率との差に比べて小さくなるように、前記非ドーピング領域のサイズおよび前記メサ領域の幅が設定されている、付記２または３に記載の高次モードフィルタ。

（付記５）
前記ドーピング領域と前記非ドーピング領域の少なくとも一つの位置またはサイズが、前記突起部内を光が導波する方向に沿って一様ではなく変化している、付記２から４のいずれか１項に記載の高次モードフィルタ。

（付記６）
前記ドーピング領域と前記非ドーピング領域の少なくとも一つが、前記突起部の両側方でそれぞれ異なる位置、形状、またはサイズを有する非対称構造である、付記２から５のいずれか１項に記載の高次モードフィルタ。

（付記７）
前記メサ領域の高さＤｍと、前記スラブ領域の厚さと前記突起部の高さの和であるリブ導波路高さＨが、Ｄｍ＝Ｈの関係を満たす、付記１から６のいずれか１項に記載の高次モードフィルタ。

（付記８）
前記突起部と前記スラブ領域と前記メサ領域がシリコンからなる、付記１から７のいずれか１項に記載の高次モードフィルタ。

（付記９）
前記ドーピング領域は、不純物ドーピング濃度ＮｄがＮｄ≧１０の領域である、付記８に記載の高次モードフィルタ。

（付記１０）
前記メサ領域と前記突起部の少なくとも一つの位置またはサイズが、前記突起部内を光が導波する方向に沿って一様ではなく変化している、付記１から９のいずれか１項に記載の高次モードフィルタ。

（付記１１）
前記メサ領域が、前記突起部の両側方でそれぞれ異なる位置、形状、またはサイズを有する非対称構造である、付記１から１０のいずれか１項に記載の高次モードフィルタ。

（付記１２）
前記突起部は曲線状に形成されている、付記１から１１のいずれか１項に記載の高次モードフィルタ。

（付記１３）
前記突起部は、始端部または終端部の少なくとも一方において幅が連続的に変化するテーパー構造を有する、付記１から１２のいずれか１項に記載の高次モードフィルタ。

以上、いくつかの実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記した実施形態の構成に限られるものではなく、本発明の構成や細部に、本発明の技術的思想の範囲内で、当業者が理解し得る様々な変更を施すことができる。

本出願は、２０１２年９月２５日に出願された日本特許出願２０１２−２１１０１５号を基礎とする優先権を主張し、日本特許出願２０１２−２１１０１５号の開示の全てをここに取り込む。

１スラブ領域
２突起部
３光導波路（リブ導波路）
４メサ領域
４ａドーピング領域
４ｂ非ドーピング領域

Claims

板状のスラブ領域と、
前記スラブ領域上に、光の導波方向に沿って帯状に形成された突起部と、
前記スラブ領域の両側方のうちの一方または両方に設けられ、前記スラブ領域の底面と等しい高さに位置する底面、および前記スラブ領域の上面よりも高い位置にある上面を有するメサ領域と、を有し、
前記突起部と前記スラブ領域と前記メサ領域とは同一の材料からなり、
前記メサ領域は、前記材料への不純物ドーピングによって光吸収機能が付与されたドーピング領域を含む
リブ導波路型の高次モードフィルタ。
前記ドーピング領域は、前記不純物ドーピングによって、周囲の前記材料よりも屈折率が低下しており、
前記メサ領域は、前記ドーピング領域の上方と下方と右側方と左側方のうちの少なくとも一つに位置する非ドーピング領域を含む、請求項１に記載の高次モードフィルタ。
前記メサ領域内において、前記非ドーピング領域が前記ドーピング領域の下方に設けられており、前記非ドーピング領域の高さＤndと前記スラブ領域の厚さＤｓが、０＜Ｄnd＜Ｄｓの関係を満たす、請求項２に記載の高次モードフィルタ。
前記ドーピング領域に隣接して形成された前記非ドーピング領域が、前記メサ領域内で光を導波させるコアとなり、
前記突起部が無いと仮定したときのメサ領域導波モードの有効屈折率と、前記メサ領域が無いと仮定したときの、前記突起部を導波する除去すべき高次モードの有効屈折率との差が、前記突起部が無いと仮定したときのメサ領域導波モードの有効屈折率と、前記メサ領域が無いと仮定したときの、前記突起部を導波する基本モードの有効屈折率との差に比べて小さくなるように、前記非ドーピング領域のサイズおよび前記メサ領域の幅が設定されている、請求項２または３に記載の高次モードフィルタ。
前記ドーピング領域と前記非ドーピング領域の少なくとも一つの位置またはサイズが、前記突起部内を光が導波する方向に沿って一様ではなく変化している、請求項２から４のいずれか１項に記載の高次モードフィルタ。
前記ドーピング領域と前記非ドーピング領域の少なくとも一つが、前記突起部の両側方でそれぞれ異なる位置、形状、またはサイズを有する非対称構造である、請求項２から５のいずれか１項に記載の高次モードフィルタ。
前記メサ領域の高さＤｍと、前記スラブ領域の厚さと前記突起部の高さの和であるリブ導波路高さＨが、Ｄｍ＝Ｈの関係を満たす、請求項１から６のいずれか１項に記載の高次モードフィルタ。
前記突起部と前記スラブ領域と前記メサ領域がシリコンからなる、請求項１から７のいずれか１項に記載の高次モードフィルタ。
前記メサ領域と前記突起部の少なくとも一つの位置またはサイズが、前記突起部内を光が導波する方向に沿って一様ではなく変化している、請求項１から８のいずれか１項に記載の高次モードフィルタ。
前記メサ領域が、前記突起部の両側方でそれぞれ異なる位置、形状、またはサイズを有する非対称構造である、請求項１から９のいずれか１項に記載の高次モードフィルタ。