WO2011043449A1 - 光分岐素子、光分岐回路、並びに光分岐素子の製造方法、光分岐回路の製造方法 - Google Patents

光分岐素子、光分岐回路、並びに光分岐素子の製造方法、光分岐回路の製造方法 Download PDF

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松本 崇
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Definitions

  • the present invention relates to an optical branching element that constitutes an optical integrated circuit, and more particularly to a structure and a manufacturing method that suppress variation in optical branching characteristics of the optical branching element.
  • an optical branching element is one of key devices.
  • an optical branching element for example, a Y-shaped optical branching waveguide, a multimode interference type (hereinafter referred to as “MMI type”) optical branching element, a directional coupler, or a Mach-Zehnder interferometer type (hereinafter referred to as “MZI type”).
  • MMI type multimode interference type
  • MZI type Mach-Zehnder interferometer type
  • These optical branching elements can be manufactured by applying a film forming technique or a fine processing technique of a semiconductor manufacturing process.
  • the Y-shaped optical branching waveguide is the one that branches the tip of the optical waveguide into a Y-shape, and shows theoretically excellent wavelength characteristics, but requires microfabrication at the connection with the branched optical waveguide, and manufacturing tolerance. Is small.
  • the MMI type optical branching element splits light using multimode interference. Since the distance between two optical waveguides can be widened, the manufacturing tolerance can be increased as compared with the Y-shaped optical branching. However, since an MMI type optical branching device has a connection from a single mode waveguide to a multimode waveguide, mode conversion loss is inevitable.
  • a directional coupler type in which two optical waveguides are arranged close to each other, or a directional coupler is configured at two locations, and the difference in the optical path lengths of the two optical waveguides between the two directional couplers is determined. It is difficult to stabilize the optical branching characteristics of the MZI type optical branching element to be provided. This is because the two waveguides constituting the directional coupler need to be formed at a very narrow interval, but sufficient accuracy cannot be obtained with the current technical level of photolithography and etching. This is because the value of the optical coupling coefficient ⁇ of the sex coupler is not stable.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-318253 describes a technique for forming a directional coupler using a bent optical waveguide.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-228348
  • Patent Document 3 adjusts an optical path length difference between two optical waveguides connecting two directional couplers constituting an MZI type optical branching element.
  • Patent Document 3 states that this technique can stop the light branching rate within a certain range over a wide wavelength range.
  • optical branching elements have the following problems.
  • in order to obtain strong optical coupling if the radius of curvature of the bent waveguide is increased and the effective optical coupling length is increased, the entire device becomes larger as a result, making it unsuitable for optical integrated circuits. was there.
  • the value of the optical branching ratio can be converged to 50%.
  • the value of the optical branching rate is only fixed to 50%, and there is a problem that any other optical branching rate cannot be realized.
  • the branching ratio value can be stopped within a certain range over a wide wavelength range by suppressing the fluctuation of the branching ratio due to the wavelength characteristics.
  • this technique cannot suppress fluctuations in the branching rate due to manufacturing variations of the directional coupler itself constituting the optical branching element.
  • An object of the present invention is to provide an optical branching device, an optical branching circuit suitable for use in an optical integrated circuit, and a manufacturing method thereof, which solve the above-described problems, have a large manufacturing tolerance, and can set an arbitrary optical branching ratio. Is to provide.
  • the optical branching element of the present invention is an optical branching element including first and second optical waveguides in parallel, each having at least two portions that are optically coupled to each other, wherein the optically coupled portions are connected to each other.
  • An optical path length difference is provided between the first optical waveguide portion and the second optical waveguide portion, and the value of the branching rate of each of the optically coupled portions is the light from the branching-side optical waveguide with respect to the variation of the branching rate. It is characterized by a combination of values at which the change in output stops.
  • the method for manufacturing an optical branching element according to the present invention is a method for manufacturing an optical branching element including first and second optical waveguides in parallel, each having at least two portions that are optically coupled, wherein the optical coupling is performed.
  • An optical path length difference is provided between the first optical waveguide portion and the second optical waveguide portion connecting the portions, and the branching rate values of the optically coupled portions are different from the branching rate variation. It is characterized by a combination of values at which the change in the light output from the side optical waveguide becomes stationary.
  • an optical branching device and an optical branching circuit suitable for use in an optical integrated circuit which have a high manufacturing tolerance and can set an arbitrary optical branching ratio.
  • the branching rate of the directional coupler constituting the optical branching device of the first embodiment of the present invention is a specific combination, the third of the optical branching characteristics of the optical branching device with respect to the fluctuation of the branching rate value
  • FIG. 1 is a top view showing a configuration of an optical branching element according to an embodiment of the present invention.
  • This optical branching element includes a first optical waveguide 1 and a second optical waveguide 2 which are parallel to each other and have portions 3 and 6 which are optically coupled at two locations.
  • An optical path length difference is provided between the first optical waveguide portion 4 and the second optical waveguide portion 5 that connect the optically coupled portions 3 and 6.
  • the branching rate values ⁇ and ⁇ of the optically coupled portions 3 and 6 are combinations of values at which the change in the optical output from the branch side optical waveguide stops with respect to the variation in the branching rate.
  • the optical branching characteristics of the optical branching element are adjusted by the optical path length difference between the first optical waveguide portion 4 and the second optical waveguide portion 5.
  • the optical branching characteristics of the optical branching device of FIG. 1 can be obtained even if there are some fluctuations in the values of ⁇ and ⁇ due to manufacturing variations and the like. Can be effectively suppressed.
  • FIGS. 2A to 2C show patterns in which changes in the branched light output intensity incident from the input port 7a and emitted from the output port 8b are locally stopped with respect to the amount of variation from the set values of ⁇ and ⁇ . It is shown schematically.
  • the change of the branched light output intensity with respect to the deviation width amount ⁇ ( ⁇ + ⁇ ) from ⁇ and ⁇ is shown with reference to the set values of ⁇ and ⁇ .
  • This deviation width amount ⁇ ( ⁇ + ⁇ ) is the sum of the respective deviation amounts from ⁇ and ⁇ , and the deviation between both is an increase (+) or a decrease ( ⁇ ) when the same amount occurs in the same direction.
  • the optical branching characteristics of the optical branching element shown in FIG. 1 vary depending on the combination of the values of ⁇ and ⁇ . Usually, as in the case of point a in FIG.
  • the optical branching characteristics of the optical branching device greatly vary.
  • the set values of ⁇ and ⁇ are specific combinations such as point b in FIG. 2A, point c in FIG. 2B, and point d in FIG. 2C
  • the values of ⁇ and ⁇ vary slightly.
  • the optical branching characteristics of the optical branching element hardly change.
  • the light branching characteristics of the light branching element can be arbitrarily set by adjusting the optical path length difference between the first optical waveguide portion 4 and the second optical waveguide portion 5.
  • this optical path length difference it is possible to adjust the intensity of the branched light output to the output port 8b by giving an optical phase difference to the light traveling inside each optical waveguide and causing them to interfere with each other.
  • Creating such an optical path length difference with good controllability is compared to making the value of the optical branching ratio of the directional coupler part with good controllability in a fine optical branching element used in an optical integrated circuit. It is much easier and less susceptible to manufacturing variations.
  • this embodiment is suitable for use in an optical integrated circuit that can effectively suppress variation due to manufacturing variations in the optical branching characteristics of the optical branching element and can set an arbitrary optical branching rate. An optical branching element can be obtained.
  • the value of the optical branching rate of each optically coupled portion is the variation of the value of the optical branching rate of each optically coupled portion.
  • the difference in the optical path lengths of the connecting portions between the respective optically coupled portions is set to a value at which a desired branching characteristic can be obtained.
  • the optical branching element of the second embodiment has the same configuration as that shown in FIG. 1, but the design parameter setting for suppressing fluctuation due to manufacturing variation of the optical branching characteristic is as follows. Is what you do.
  • the optically coupled portions 3 and 6 in the optical branching element shown in FIG. 1 each constitute a directional coupler.
  • the input / output characteristics of this optical branching element can be expressed as follows using a transfer matrix according to the case of the MZI type optical branching element.
  • T 11 in the expression (1) is from the input port 7a to the output port 8a in FIG.
  • T 12 is from the input port 7a to the output port 8b
  • T 21 is from the input port 7b to the output port 8a
  • T 22 Represents a transfer function from the input port 7b to the output port 8b.
  • the transfer function is the input / output ratio of the amplitude of light at each port.
  • is a coupling coefficient of the directional couplers 3 and 6
  • L DCin and L DCout are coupling lengths of the directional couplers 3 and 6
  • n eff is an effective refractive index of the optical waveguide
  • is an incident light wavelength
  • dL This is the optical path length difference between the connecting portions 4 and 5.
  • the optical branching ratio of the directional coupler corresponds to the value of the product of the coupling coefficient ⁇ and the coupling length L DC .
  • the optical branching ratio of the directional coupler can be set by the values of ⁇ and L DC. it can.
  • is a value determined from the groove width between the two waveguides and the leakage of light from the two waveguides.
  • FIG. 3A shows the calculation result of Equation (4) for ⁇ L DC for a simple configuration in which the values of the coupling coefficient ⁇ and the coupling length L DC of the directional couplers 3 and 6 are both equal.
  • FIG. 3B shows a calculation result of the optical output characteristic to the cross port with respect to ⁇ L DC in the case of a general directional coupler alone.
  • the branch light output characteristic of the MZI type optical branching element as shown in FIG. 1 has a half period with respect to the case of a single directional coupler, and the slope of the branch light output characteristic is steep with respect to ⁇ L DC . Will increase.
  • is a value proportional to the optical path length difference dL.
  • the optical branching is performed independently of the value of ⁇ L DC of the directional coupler constituting the optical branching element by changing the dL of the phase change region. The rate can be controlled. Therefore, the light branching element according to the present invention can arbitrarily set the value of the light branching rate while suppressing variations in the light branching characteristics.
  • FIG. 1 a method for manufacturing the optical branching element shown in FIG. 1 will be described. 4 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 1, and FIGS.
  • FIG. 4 a lower clad layer 10 is formed on a silicon substrate 9, two optical waveguides are provided thereon, and a reflow layer 11 and an upper clad layer 12 are provided on the upper surface of the optical waveguide layer. It has been.
  • the optical waveguide has a high refractive index with respect to the lower cladding layer 10, the upper cladding layer 12, and the reflow layer 11, and the light is confined in the optical waveguide.
  • This optical branching element is created by applying a semiconductor manufacturing process.
  • an NSG (Non Dope Silica Glass) film to be the lower cladding layer 10 is formed on the silicon substrate 9 by using a chemical vapor deposition method using plasma, and then an optical waveguide is formed.
  • a SiON (silicon oxynitride) film to be the core layer 13 is formed.
  • the pattern of the waveguide core is transferred to the photoresist 14 by photolithography, and the optical waveguide core layer 13 is patterned by reactive ion etching as shown in FIG. 5B.
  • the widths of the grooves between the two waveguides constituting the directional couplers 3 and 6 are configured to be, for example, at an interval of 1.25 ⁇ m in both places.
  • the waveguide portion connecting between the directional couplers 3 and 6, that is, the portion of the connecting portion 4 and the connecting portion 5 ensures the optical path length difference from the connecting portion 5 by giving the connecting portion 4 a curvature. . Due to this optical path length difference, an optical phase difference is given to the light traveling inside each optical waveguide, and the intensity of the branched light output to the output port 8 can be adjusted by causing the two to interfere with each other. In this setting of the optical path length difference, the same interference can be obtained periodically with the length corresponding to the wavelength of the light incident on the optical branching element as a unit, but when the value is set shorter than the incident light wavelength. In addition, the size of the optical branching element is minimized.
  • the residual resist is removed by O 2 ashing and high-temperature annealing is performed in a nitrogen atmosphere.
  • BPSG Bipolar Phosphor Silicate Glass
  • the reflow layer 11 is planarized by high-temperature annealing.
  • BPSG as the upper clad layer 12 is formed by atmospheric pressure chemical vapor deposition, and the film density is improved by high-temperature annealing to complete the structure as an optical waveguide.
  • a normal semiconductor process is applied, and the optical branching element of this embodiment can be manufactured by a general technique.
  • the manufacturing procedure shown here is merely an example, and the materials of the substrate, the lower cladding layer, the optical waveguide core, and the upper cladding layer are not limited to silicon, NSG, SiON, and BPSG, respectively.
  • the substrate has sufficient physical strength and does not adversely affect the waveguide core and clad.
  • the refractive index of the waveguide core and clad material must be different to the extent that optical confinement occurs in the waveguide. That's fine.
  • the waveguide width (coupling length) of the directional coupler portion may be determined such that the groove between the two waveguides also has an appropriate optical coupling.
  • an optical branching element and an optical branching circuit suitable for use in an optical integrated circuit can be obtained with high manufacturing tolerance, and each design parameter for setting an arbitrary optical branching ratio can be set.
  • a third embodiment of the present invention will be described.
  • the combination of the optical branching ratios that can obtain the effect of suppressing variation in the optical branching characteristics can be obtained by calculation as in the second embodiment described above. Therefore, it can be decided.
  • the optical branching ratio of the second and subsequent directional couplers is equal to the intensity ratio of light input from the immediately preceding stage to the input port 1 side optical waveguide and the input port 2 side optical waveguide, respectively.
  • the branching ratio of the directional coupler 6 is set to 0.2: 0.8, that is, the branching ratio is 0.2.
  • 6 shows combinations of the branching rates ⁇ and ⁇ of the directional couplers 3 and 6 in FIG. 1 as “0.8, 0.2”, “0.7, 0.3”, “0.
  • the variation of the branching characteristic of the optical branching element with respect to the deviation from the design value is shown.
  • a change in the intensity of the branched light output incident from the input port 1 and output from the output port 8 (cross port) is shown.
  • the optical path length difference dL between the input side optical waveguide portion 4 and the branch side optical waveguide portion 5 is set to a length shorter than the wavelength ⁇ of the incident light.
  • the coupling coefficient ⁇ and the coupling length L DC which are parameters that determine the optical branching rate (or branching ratio) of the incident light directional coupler, the coupling coefficient ⁇ has a much larger influence on the processing accuracy than the coupling length L DC.
  • the value of the coupling coefficient ⁇ depends on the processing accuracy of the narrow gap between the two waveguides, whereas the coupling length L DC is not a scale where processing accuracy becomes a problem. From this, in order to narrow down the variation factor of the branching rate, when designing directional couplers with different branching rates, the design value of the coupling coefficient ⁇ is the same, and the branching rate is set by changing the coupling length L DC respectively. It is desirable. In view of the above, setting of the optical branching ratio of the directional coupler 3 and 6 in this optical branching device, the value of the coupling coefficient ⁇ is the same, and shall be conducted by changing each coupling length L DC.
  • the horizontal axis of FIG. 6 indicates the amount of deviation from the design value of ⁇ L DC (that is, ⁇ L DC1 and ⁇ L DC2 ) of the two directional couplers.
  • this shift amount is the sum of the shift amounts from the design values of ⁇ L DC1 and ⁇ L DC2 , and the shift between both is assumed to occur in the same direction in either the increase (+) or decrease ( ⁇ ) direction. is doing.
  • the vertical axis of FIG. 6 shows the change in the light output intensity from the output port 8b (cross port) of the optical branching element as a value corresponding to the optical branching characteristics of the entire optical branching element. As shown in FIG.
  • the optical branching rates of the two directional couplers are a combination of these values
  • the light output intensity from the output port 8b of the optical branching element is the peak when the deviation from the design value is zero. It becomes. Therefore, when the optical branching ratios of the directional couplers 3 and 6 are set to a combination of these values, even if the actual branching ratio value varies, the variation width of the optical branching characteristics of the entire optical branching element is suppressed. can do. Even when there are three or more directional couplers constituting the optical branching element, variation in the optical branching characteristics can be suppressed by setting a combination of branching rates of the directional couplers according to the above pattern.
  • the branching rates of the first and second stages are 0.8 and 0.2, respectively, and the input light intensity to the third-stage input port 1 and 2 side waveguides by adjusting the optical path length difference of the connecting part It is assumed that the ratio is set to be 0.6: 0.4. In this case, if the branching ratio at the third stage is set to 0.6: 0.4, that is, the branching ratio is 0.6, the variation width of the optical branching characteristic is reduced as in the case of the above-described two-stage optical branching element. Can be suppressed.
  • FIG. 7A is a top view showing a configuration when the optical branching element of the present invention is used for a ring resonator type wavelength filter as a fourth embodiment of the present invention.
  • a general ring resonator has the configuration shown in FIG. 7B, but the optical branching ratio of the two directional coupler portions is likely to vary due to the problem of manufacturing accuracy, and in this configuration, the optical branching characteristics of the directional coupler portion are reduced. The resonance characteristics of the ring resonator change due to the influence of the variation.
  • the branching rate of each directional coupler is set in the same manner as in the first embodiment. Therefore, it is possible to suppress variations in the light branching characteristics due to manufacturing variations. Therefore, the fourth embodiment has an advantage that a ring resonator having a high manufacturing tolerance can be obtained because fluctuations in the resonance characteristics of the ring resonator can be effectively suppressed.
  • FIG. 7A a fifth embodiment of the present invention will be described.
  • FIG. 8A is a top view showing a configuration of a multistage ring resonator in which a ring resonator using the directional coupler of the present invention is connected in multiple stages as a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8B is a top view of a multistage ring resonator using a normal directional coupler. Both assume that light is reflected at the end of the third-stage ring resonator and returns to the input side.
  • the variation in the branching characteristics of the individual optical branching elements is multiplied, and the influence on the overall optical output characteristics is significantly increased. It is very important to suppress the variation in branching characteristics.
  • FIG. 9 is a top view showing a sixth embodiment of the present invention.
  • this embodiment is a ring resonator that is configured by connecting ring resonators in multiple stages.
  • the thin film heater 15 is added to each ring.
  • the yield of each optical branching element by improving the yield of each optical branching element, the yield of the entire optical circuit can be drastically improved.
  • the merit is also merit. Is particularly big. As described above, according to the present invention, it is possible to manufacture an optical branching element that is less susceptible to variations in optical branching characteristics with respect to manufacturing variations.
  • the present invention is particularly advantageous when used for a ring resonator, a multistage ring resonator connected in series, and the like. Furthermore, the present invention is not limited to the ring resonator type, and all of the optical branching elements are used, that is, optical branching by directional coupler, Y-shaped optical branching, MMI type optical branching, MZI type optical branching, etc. It is possible to replace this optical branching element with the optical branching element according to the present invention.
  • the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the present invention. This application claims the priority on the basis of Japanese application Japanese Patent Application No. 2009-235112 for which it applied on October 9, 2009, and takes in those the indications of all here.

Abstract

製作トレランスが高く、任意の光分岐率を設定できる、光集積回路での利用に適した光分岐素子、光分岐回路、及びそれらの製造方法を提供する。 少なくとも2箇所に光結合する部分を有した、並行する第1および第2の光導波路からなる光分岐素子であって、光結合する部分を連結する、第1の光導波路部分と第2の光導波路部分とには光路長差が設けられ、光結合する部分のそれぞれの分岐率の値は、分岐率の変動に対する、分岐側光導波路からの光出力の変化が停留となる値の組み合わせとする。

Description

光分岐素子、光分岐回路、並びに光分岐素子の製造方法、光分岐回路の製造方法
 本発明は、光集積回路を構成する光分岐素子に関し、特に光分岐素子の光分岐特性のばらつきを抑制する構造及び製造方法に関する。
 近年の光導波路技術の進歩に伴い、光回路の実用化、大規模化がなされている。特に光集積回路を構成する上では、光分岐素子はキーとなるデバイスの一つである。
 一般に光分岐素子としては例えば、Y字型光分岐導波路、マルチモード干渉型(以下、「MMI型」という)光分岐素子、方向性結合器、あるいはマッハツェンダ干渉計型(以下、「MZI型」という)光分岐素子などがある。これらの光分岐素子は半導体製造プロセスの成膜技術や微細加工技術などを適用することによって製造することができる。
 ここでY字型光分岐導波路は光導波路の先端をY字型に分岐するもので、理論上優れた波長特性を示すが、分岐光導波路との接続部分で微細加工が要求され、製作トレランスが小さい。
 MMI型光分岐素子は多モード干渉を用いて光を分岐させるもので、2本の光導波路の間隔は広く取れるので、Y字型光分岐に比べて製作トレランスを大きくすることができる。しかしながら、MMI型光分岐素子は単一モード導波路から多モード導波路への接続が存在するために、モード変換損失が避けられない。
 また2本の光導波路を近接させて構成する方向性結合器型や、方向性結合器を2箇所で構成し、2つの方向性結合器の間の2本の光導波路の光路長に差を持たせるMZI型の光分岐素子は、製造上、光分岐特性を安定させるのが難しい。これは、方向性結合器を構成する部分の2本の導波路は、非常に狭い間隔で形成する必要があるものの、現状のフォトリソグラフィとエッチングの技術水準では十分な精度が得られず、方向性結合器の光結合係数κの値が安定しないためである。
 一方でこれら光分岐素子は、光回路を構成するときには多数使用されるので、個々の光分岐素子の光分岐率(または光分岐比)のばらつきを抑制することは非常に重要となる。これまでにも、フォトリソグラフィの最適化による導波路幅の均一化や、エッチングの最適化などが行われているが、製作ばらつきを十分に抑制することは難しい。
 そこで、製造技術の精度に依存するのではなく、素子の構成によって光分岐率のばらつきを抑制することに重点をおいた技術の開発が行われている。例えば特開2001−318253号公報(以下、「特許文献1」という)には曲がり光導波路を用いて方向性結合器を形成する技術が記載されている。この構成によれば狭ギャップとなる部分が短くなるため、その分製作トレランスが向上するとしている。また特開2001−228348号公報(以下、「特許文献2」という)には2×2の光分岐素子を直列接続させることで、個々の光分岐で分岐率ばらつきが起こっても、全体として光分岐率をほぼ50%に収束させることができる技術が記載されている。さらに特許第2653883号公報(以下、「特許文献3」という)には、MZI型の光分岐素子を構成する2つの方向性結合器の間を結ぶ、2本の光導波路の光路長差を調整することによって、波長による分岐比の変動を打ち消す技術が記載されている。特許文献3では、この技術により、広い波長域にわたって、光分岐率を一定の範囲内に止めることができるとしている。
 しかしながら、これらの光分岐素子には次のような問題があった。
 まず特許文献1に記載の、曲がり導波路で方向性結合器を構成する方法では、直線導波路で方向性結合器を構成するのに比べて、狭ギャップ部分は相対的に減る。しかしながら、強い光結合を得るためには、導波路ギャップを小さくする必要があるため、結果として局所的に高い加工精度が要求される。また、強い光結合を得るために、曲がり導波路の曲率半径を大きくし、実効的な光結合長を長くすると、結果として素子全体が大きくなり、光集積回路用としては不向きになるという問題点があった。
 また、特許文献2の2×2の光分岐素子を直列接続する方法では、光素子を多段にすると光分岐率の値を50%に収束させることができる。しかしながら光分岐率の値は50%に固定されるのみであり、それ以外の任意の光分岐率は実現できないという問題点があった。
 さらに特許文献3のMZI型の光分岐素子では、波長特性による分岐率の変動を抑制することにより、広い波長域にわたって分岐率の値を一定の範囲内に止めることができるとしている。しかしながらこの技術は、光分岐素子を構成する方向性結合器自体の製作ばらつきによる分岐率の変動を抑えられるものではない。したがってこの光分岐素子は、波長に対する光分岐率の相対的な変動は抑えられても、設定した分岐率の値そのものを安定して得ることができない、という問題点があった。
 本発明の目的は、上述した課題を解決し、製作トレランスが大きく、任意の光分岐率を設定できる、光集積回路での利用に適した光分岐素子、光分岐回路、及びそれらの製造方法を提供することである。
 本発明の光分岐素子は、少なくとも2箇所に光結合する部分を有した、並行する第1および第2の光導波路からなる光分岐素子であって、前記光結合する部分を連結する、前記第1の光導波路部分と前記第2の光導波路部分とには光路長差が設けられ、前記光結合する部分のそれぞれの分岐率の値は、分岐率の変動に対する、分岐側光導波路からの光出力の変化が停留となる値の組み合わせとしたことを特徴としている。
 また本発明の光分岐素子の製造方法は、少なくとも2箇所に光結合する部分を有した、並行する第1および第2の光導波路からなる光分岐素子の製造方法であって、前記光結合する部分を連結する、前記第1の光導波路部分と前記第2の光導波路部分とには光路長差を設け、前記光結合する部分のそれぞれの分岐率の値は、分岐率の変動に対する、分岐側光導波路からの光出力の変化が停留となる値の組み合わせとしたことを特徴としている。
 本発明によれば、製作トレランスが高く、任意の光分岐比を設定することのできる、光集積回路での利用に適した光分岐素子、光分岐回路を得ることができる。
本発明の第1の実施の形態の光分岐素子の構成を示す上面図である。 本発明の第1の実施の形態の光分岐素子を構成する方向性結合器の分岐率が特定の組み合わせの場合における、分岐率の値の変動に対する、光分岐素子の光分岐特性の第1の例を示す模式図である。 本発明の第1の実施の形態の光分岐素子を構成する方向性結合器の分岐率が特定の組み合わせの場合における、分岐率の値の変動に対する、光分岐素子の光分岐特性の第2の例を示す模式図である。 本発明の第1の実施の形態の光分岐素子を構成する方向性結合器の分岐率が特定の組み合わせの場合における、分岐率の値の変動に対する、光分岐素子の光分岐特性の第3の例を示す模式図である。 本発明の第2の実施の形態の光分岐素子の、κLDCに対する分岐光出力の変化を示す特性図である。 一般の方向性結合器単体の、κLDCに対する分岐光出力の変化を示す特性図である。 本発明の第2の実施の形態の光分岐素子の構造を示す断面図である。 本発明の第2の実施の形態の光分岐素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の第2の実施の形態の光分岐素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の第2の実施の形態の光分岐素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の第2の実施の形態の光分岐素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の第3の実施の形態の光分岐素子を構成する方向性結合器の分岐率の、設定値からのずれ量に対する分岐光出力の変化を示す特性図である。 本発明の第4の実施の形態の光分岐素子を用いたリング共振器型波長フィルタの上面図である。 一般の方向性結合器を用いたリング共振器型波長フィルタの上面図である。 本発明の第5の実施の形態の光分岐素子を用いた3段リング共振器型波長フィルタの上面図である。 一般の方向性結合器を用いた3段リング共振器型波長フィルタの上面図である。 リング共振器部分に薄膜ヒータを設けた、本発明の第6の実施の形態の光分岐素子を用いた3段リング共振器型波長フィルタの上面図である。
 次に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
 図1は本発明の一実施の形態の光分岐素子の構成を示す上面図である。この光分岐素子は、2箇所に光結合する部分3、6を有した、並行する第1の光導波路1および第2の光導波路2からなる。そして光結合する部分3、6を連結する、第1の光導波路部分4と第2の光導波路部分5とには光路長差が設けられている。また光結合する部分3、6のそれぞれの分岐率の値α、βは、分岐率の変動に対する、分岐側光導波路からの光出力の変化が停留となる値の組み合わせとしている。さらに光分岐素子の光分岐特性は、第1の光導波路部分4と第2の光導波路部分5との光路長差によって調整されている。
 この実施の形態では、上記のようなαおよびβの組み合わせを用いることにより、製造ばらつき等に起因するαおよびβの値の多少の変動があっても、図1の光分岐素子の光分岐特性が変動するのを効果的に抑えられる。例えば図2A~図2Cは、αおよびβの設定値からの変動量に対して、入力ポート7aから入射し出力ポート8bから出射する分岐光出力強度の変化が局所的に停留となるパターンをそれぞれ模式的に示したものである。ここでは設定したαおよびβの値を基準に、αおよびβからのずれ幅量Δ(α+β)に対する分岐光出力強度の変化を示している。このずれ幅量Δ(α+β)は、αおよびβからのそれぞれのずれ量の合計とし、また両者のずれは増加(+)あるいは減少(−)のいずれか同じ方向に同じ量が発生する場合を想定している。図2A~図2Cに示すように、図1に示す光分岐素子の光分岐特性は、αおよびβの値の組合せによって多様に変化し、通常は図2Aのa点における場合のように、αおよびβの値がわずかに変動すると光分岐素子の光分岐特性は、大きく変動する。しかしながらαおよびβの設定値を、図2Aにおけるb点、図2Bにおけるc点、図2Cにおけるd点のいずれかになるような特定の組み合わせとした場合、αおよびβの値が多少変動しても、光分岐素子の光分岐特性はほとんど変動しない。
 なおこの光分岐素子の光分岐特性は、第1の光導波路部分4と第2の光導波路部分5との光路長差を調整することによって、任意に設定することができる。すなわち、この光路長差により、それぞれの光導波路の内部を進む光に光位相差を与え、両者を干渉させることにより出力ポート8bに出力される分岐光強度を調整することができる。このような光路長差を制御性よく作成することは、光集積回路で利用される微細な光分岐素子において、方向性結合器部分の光分岐率の値を制御性よく作成することに比べればはるかに容易で、製造ばらつき等の影響を受けにくい。
 以上のように、この実施の形態では、光分岐素子の光分岐特性の製造ばらつき等による変動を効果的に抑制し、かつ任意の光分岐率を設定できる、光集積回路での利用に適した光分岐素子を得ることができる。
 なお光結合する部分を3つ以上有する構成の光分岐素子の場合においても、同様に、まず各光結合する部分の光分岐率の値は、各光結合する部分の光分岐率の値の変動に対する、出力ポートからの光出力の変化特性が停留となるような光分岐率の組合せに設定する。そしてさらに各光結合する部分間の連結部分の光路長差を、所望の分岐特性が得られる値とする。このように各設計パラメータを設定することにより、製作トレランスが高く、任意の光分岐比を設定することのできる、光集積回路での利用に適した光分岐素子、光分岐回路を得ることができる。
 次に、本発明の第2の実施の形態について詳細に説明する。第2の実施の形態の光分岐素子は、構成自体は第1図に示したものと同じであるが、光分岐特性の製作ばらつきによる変動を抑制するための、設計パラメータ設定を以下のように行うものである。
 図1に示す光分岐素子における光結合する部分3、6はそれぞれ方向性結合器を構成している。この光分岐素子の入出力特性は、MZI型光分岐素子の場合に従い、伝達行列を用いて以下のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
 ここで、式(1)のT11は図1中の入力ポート7aから出力ポート8aへ、T12は入力ポート7aから出力ポート8bへ、T21は入力ポート7bから出力ポート8aへ、T22は入力ポート7bから出力ポート8bへの伝達関数をそれぞれ表している。なお伝達関数とは各ポートにおける光の振幅の入出力比をいう。またκは方向性結合器3、6の結合係数、LDCin、LDCoutはそれぞれ方向性結合器3、6の結合長、neffは光導波路の実効屈折率、λは入射光波長、dLは連結部4、5間の光路長差である。式(1)を展開すると以下のように伝達関数を求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
ただし、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
である。これより、入力ポート7aから入射した光が分岐して出力ポート8bより出射されることを想定し、分岐側光導波路2側からの入力はないとしたとき、入力ポート7aから出力ポート8bへの伝達関数は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
として表されるので、その光強度の伝達関数は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
となる。
 方向性結合器の光分岐率の値は、結合係数κと結合長LDCとの積の値に対応するので、方向性結合器の光分岐率はκとLDCの値によって設定することができる。なおκは2本の導波路間の溝幅と、2本の導波路の光の染み出しから決まる値である。図3Aは、方向性結合器3及び6の結合係数κおよび結合長LDCの値が共に等しい単純な構成の場合について、κLDCに対する式(4)の計算結果を示す。また比較のための参考例として、図3Bには一般の方向性結合器単体の場合についての、κLDCに対するクロスポートへの光出力特性の計算結果を示す。
 単体の方向性結合器の場合に対して図1のようなMZI型光分岐素子の分岐光出力特性は1/2の周期をもち、κLDCに対して分岐光出力特性の傾きが急峻な部分が増える。しかしながら、κLDCの設計値として、この分岐光出力特性が停留となる点を用いれば、κLDCの値が製造精度の問題でばらついたとしても、光分岐特性への影響を最小限に抑えることが可能である。ここではκLDCの設計値として、例えば分岐光出力が極大となるκLDC=π/4あるいはκLDC=3π/4の値を用いることができる。
 なお図3Aには、位相変化領域での位相変化量φ=2πneffdL/λを変えた場合の分岐光出力の特性も合わせて示している。図3Aに示すように、φの値を変えても、分岐光出力特性は頂点の位置は変わらずに頂点高さのみが変動する。ここでφは光路長差dLに比例する値であり、本発明では位相変化領域のdLを変化させることによって、光分岐素子を構成する方向性結合器のκLDCの値とは独立に光分岐率を制御可能である。従って、本発明による光分岐素子は、光分岐特性のばらつきを抑制しつつ、同時に光分岐率の値を任意に設定することが可能である。
 次に図1に示した光分岐素子の製造方法を説明する。図4は図1のA−A‘線に沿った断面図、図5A~Dはその製造手順である。図4を参照すると、シリコン基板9上に下部クラッド層10が形成され、その上に2本の光導波路が設けられ、さらにこの光導波路層の上面にはリフロー層11及び上部クラッド層12が設けられている。下部クラッド層10、上部クラッド層12およびリフロー層11に対してこの光導波路は屈折率が高く、光導波路内への光閉じ込めがなされている。
 この光分岐素子は、半導体製造プロセスを適用して作成される。まず始めに図5Aに示すように、シリコン基板9上にプラズマを用いた化学気相成長法を用いて、下部クラッド層10となるNSG(Non dope Silica Glass)膜を成膜したのち、光導波路コア層13となるSiON(酸窒化珪素)膜を成膜する。
 その後、フォトリソグラフィによって導波路コアのパターンをフォトレジスト14に転写し、図5Bに示すように光導波路コア層13を、反応性イオンエッチングによってパターニングする。このとき、方向性結合器3及び6を構成する箇所の2本の導波路間の溝の幅は、例えば2箇所とも1.25μm間隔となるように構成する。また、方向性結合器3及び6の間を繋ぐ導波路部分、すなわち連結部4及び連結部5の部分は、連結部4に曲率を持たせることによって連結部5との光路長差を確保する。この光路長差により、それぞれの光導波路の内部を進む光に光位相差を与え、両者を干渉させることにより出力ポート8に出力される分岐光強度を調整することができる。なおこの光路長差の設定においては、光分岐素子に入射する光の波長に相当する長さを単位として周期的に同じ干渉が得られることになるが、入射光波長より短い値で設定した場合に、光分岐素子のサイズは最小になる。
 導波路コアのパターニング後には、Oアッシングによって残留レジストを取り除き、窒素雰囲気中で高温アニールを行う。さらに図5Cのようにリフロー層11としてのBPSG(Boron Phosphor Silicate Glass)を常圧化学気相成長法によって成膜し、さらに高温アニールによってこのリフロー層11を平坦化する。
 最後に図5Dのように上部クラッド層12としてのBPSGを常圧化学気相成長法によって成膜し、高温アニールによって膜密度を向上させ、光導波路としての構成を完成させる。
 これらの光導波路形成工程では通常の半導体プロセスを適用しており、本実施形態の光分岐素子は一般的な技術で製造が可能である。ただし、ここに示した製造手順はあくまで1例であり、基板、下部クラッド層、光導波路コア、上部クラッド層の材料に対してはそれぞれシリコン、NSG、SiON、BPSGに限るものではない。基板に対しては、十分な物理的強度を有し、導波路コア、クラッドに悪影響をもたらさなければよく、導波路コア、クラッド材については、導波路に光閉じ込めが起こる程度に屈折率が異なればよい。方向性結合器部分の導波路幅(結合長)、2つの導波路間の溝隔も、適切な光結合が起こるように距離を決めればよい。
 この第2の実施の形態によれば、光集積回路での利用に適した光分岐素子、光分岐回路を、高い製作トレランスが得られ、任意の光分岐比を設定するための各設計パラメータを、計算により設定し、半導体製造プロセスを適用した微細加工技術により量産できる。
 次に本発明の第3の実施の形態を説明する。
 光分岐特性ばらつき抑制効果が得られる光分岐率の組合せは、上述した第2の実施の形態のように計算により得ることができるが、この効果が得られる典型的な光分岐率の組合せパターンにしたがって決めることもできる。このようなパターンとして、2段目以降の方向性結合器の光分岐比を、直前段から入力ポート1側光導波路と入力ポート2側光導波路とにそれぞれ入力してくる光の強度比と等しい値に設定した場合がある。例えば図1の光分岐素子において、1段目の方向性結合器3の光分岐率を0.8(分岐比0.8:0.2)とした場合、入力ポート1からの入射光が分岐され2段目の方向性結合器6の入力ポート1側光導波路と入力ポート2側光導波路とにそれぞれ入力される光の強度比は0.2:0.8となる。従ってこの場合、方向性結合器6の分岐比を0.2:0.8、すなわち分岐率0.2に設定する。
 図6はこの組合せパターンとして、図1における方向性結合器3、6の分岐率α、βの組合せを「0.8、0.2」、「0.7、0.3」、「0.5、0.5」と設定した場合の、それぞれ設計値からのずれ量に対する光分岐素子の分岐特性の変動を示す。ここでは入力ポート1から入射し出力ポート8(クロスポート)から出力する分岐光出力の強度変化が示されている。
 なおこの光分岐素子においては入力側光導波路部分4と分岐側光導波路部分5との光路長差dLは、入射光の波長λより短い長さで設定されている。
 さらに、入射光方向性結合器の光分岐率(または分岐比)を決めるパラメータである結合係数κおよび結合長LDCに関し、結合係数κは結合長LDCに比べて加工精度の影響をはるかに強く受けやすく、ばらつきが生じやすい。これは結合係数κの値が、2本の導波路間の狭いギャップの加工精度に依存するのに対し、結合長LDCは加工精度がそれほど問題になるようなスケールではないからである。このことから分岐率のばらつき要因を絞るため、分岐率の異なる方向性結合器を設計するにあたっては、結合係数κの設計値は同一とし、それぞれ結合長LDCを変えることによって分岐率を設定することが望ましい。
 以上の観点から、この光分岐素子においては方向性結合器3及び6の光分岐率の設定は、結合係数κの値は同一とし、それぞれ結合長LDCを変えることによって行うものとした。
 また図6の横軸は2つの方向性結合器のκLDC(すなわちκLDC1およびκLDC2)の設計値からのずれ量として示している。ここで、このずれ量はκLDC1およびκLDC2の設計値からのずれ量の合計とし、両者のずれは増加(+)あるいは減少(−)のいずれか同じ方向に同じ量が発生する場合を想定している。一方、図6の縦軸は、光分岐素子全体の光分岐特性に対応する値として、光分岐素子の出力ポート8b(クロスポート)からの光出力強度の変化を示している。
 図6に示すように、2つの方向性結合器の光分岐率がこれらの値の組合せのときには設計値とのずれが零のときに、光分岐素子の出力ポート8bからの光出力強度は頂点となる。したがって、方向性結合器3および6の光分岐率がこれらの値の組合せに設定されている場合、実際の分岐率の値がばらついても、光分岐素子全体の光分岐特性のばらつき幅を抑制することができる。
 なお光分岐素子を構成する方向性結合器が3つ以上の場合でも、上記のパターンに従い方向性結合器の分岐率の組み合わせを設定すれば、光分岐特性のばらつきを抑制できる。例えば上述の2段光分岐素子構成にさらに方向性結合器を1段追加した、3段方向性結合器構成の場合について説明する。この3段のうち1、2段目の分岐率をそれぞれ0.8、0.2とし、さらに連結部の光路長差調整により3段目の入力ポート1、2側導波路への入力光強度比が0.6:0.4となるように設定したとする。この場合、3段目の分岐比を0.6:0.4、すなわち分岐率0.6に設定すれば、上述の2段構成光分岐素子の場合と同様に、光分岐特性のばらつき幅を抑制することができる。
 この第3の実施の形態によれば、複雑な計算を行わなくとも、典型的なパターンに従って、光分岐特性ばらつき抑制効果が得られる光分岐率の組合せを決定することができる。
 次に本発明の第4の実施の形態について説明する。
 図7Aは本発明の第4の実施の形態として、リング共振器型波長フィルタに本発明の光分岐素子を用いた場合の構成を示す上面図である。一般のリング共振器は図7Bに示す構成であるが、2つの方向性結合器部分の光分岐率は製造精度の問題でばらつきが生じやすく、この構成では方向性結合器部分の光分岐特性のばらつきの影響を受けリング共振器の共振特性が変動してしまう。一方、この2つの方向性結合器を、図7Aに示すように本発明の光分岐素子でそれぞれ置き換えた場合、上述の第1の実施の形態と同様に各方向性結合器の分岐率の設定によって、製作ばらつきによる光分岐特性のばらつきを抑制することができる。したがってこの第4の実施の形態では、リング共振器の共振特性の変動を効果的に抑えられるため、製造トレランスの高いリング共振器を得ることができるメリットがある。
 次に本発明の第5の実施の形態について説明する。
 図8Aは本発明の第5の実施の形態として、本発明の方向性結合器を用いたリング共振器を多段に接続して構成した、多段リング共振器の構成を示す上面図である。なお図8Bは通常の方向性結合器を用いた多段リング共振器の上面図を示す。両者は共に3段目のリング共振器終端で光が反射し、入力側に戻ってくる状況を想定している。図8Bのように光分岐素子が多数使用される構成では、個々の光分岐素子の分岐特性のばらつきが掛け合わされ、全体の光出力特性に与える影響は著しく大きくなるため、個々の光分岐素子の分岐特性のばらつきの抑制は非常に重要となる。これらの光分岐素子を、図8Aに示すように本発明の光分岐素子でそれぞれ置き換えた場合、上述の第1、第2の実施の形態と同様に各方向性結合器の分岐率の設定により、製作ばらつきによる個々の光分岐特性のばらつきを抑制することができる。この第5の実施の形態では多数の光分岐素子が使用された多段リング共振器の共振特性の変動を効果的に抑えることができ、そのメリットは特に大きい。
 次に本発明の第6の実施の形態について説明する。
 図9は本発明の第6の実施の形態を示す上面図である。通常の方向性結合器にヒータや電極など、局所的に屈折率を変化させる構造を併用することが可能だが、この実施の形態は、リング共振器を多段に接続して構成したリング共振器の、個々のリングに薄膜ヒータ15を付加したものである。この第6の実施の形態においても、個々の光分岐素子の歩留まりを向上させることで、光回路全体の歩留まりを飛躍的に向上させることができ、第5の実施の形態と同様に、やはりメリットは特に大きい。
 以上説明したとおり、本発明により製作ばらつきに対して光分岐特性変動への影響を受けにくい光分岐素子を製作できる。また本発明はリング共振器、さらに直列接続させた多段型リング共振器などに利用した場合、特にメリットが大きい。さらに本発明はリング共振器型に止まらず、全ての光分岐素子が用いられる状況、つまり方向性結合器による光分岐や、Y字型光分岐、MMI型光分岐、MZI型光分岐など、全ての光分岐素子を本発明による光分岐素子に置き換えることが可能である。
 以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
 この出願は、2009年10月9日に出願された日本出願特願2009−235112を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
 1  第1の光導波路
 2  第2の光導波路
 3  光結合する部分(方向性結合器)
 4  第1の光導波路部分(連結部)
 5  第2の光導波路部分(連結部)
 6  光結合する部分(方向性結合器)
 7a、7b  入力ポート
 8a、8b  出力ポート
 9  シリコン基板
 10  下部クラッド層
 11  リフロー層
 12  上部クラッド層
 13  光導波路コア層
 14  フォトレジスト
 15  薄膜ヒータ

Claims (12)

  1.  少なくとも2箇所に光結合する部分を有した、並行する第1および第2の光導波路からなる光分岐素子であって、
     前記光結合する部分を連結する、前記第1の光導波路部分と前記第2の光導波路部分とには光路長差が設けられ、
     前記光結合する部分のそれぞれの分岐率の値は、分岐率の変動に対する、分岐側光導波路からの光出力の変化が停留となる値の組み合わせとしたことを特徴とした光分岐素子。
  2.  前記光路長差は、入力する光の波長より短いことを特徴とした、請求項1記載の光分岐素子。
  3.  光分岐素子を構成する前記光結合する部分のうち、2段目以降の前記光結合する部分の分岐比は、当該光結合する部分の前記第1の光導波路と前記第2の光導波路とにそれぞれ入力する光強度の比と等しくなる値を用いていることを特徴とした、請求項1または2に記載の光分岐素子。
  4.  光分岐素子を構成する前記光結合する部分の分岐率の値は、結合係数の値をすべて同じ値に統一し、結合長の値をそれぞれ変えることによって調整したことを特徴とした、請求項1から3のいずれかに記載の光分岐素子。
  5.  請求項1から4のいずれかに記載の光分岐素子を2つ備え、第1の光分岐素子の分岐側光導波路からの出力ポートと第2の光分岐素子の入力側光導波路への入力ポートとが結合し、第2の光分岐素子の分岐側光導波路からの出力ポートと第1の光分岐素子の分岐側光導波路への入力ポートとが結合しているリング共振器を有することを特徴とした光分岐回路。
  6.  請求項5に記載のリング共振器を少なくとも2つ備え、前段のリング共振器の出力ポートと後段のリング共振器の入力ポートとが結合している多重リング共振器を有することを特徴とした光分岐回路。
  7.  少なくとも2箇所に光結合する部分を有した、並行する第1および第2の光導波路からなる光分岐素子の製造方法であって、
     前記光結合する部分を連結する、前記第1の光導波路部分と前記第2の光導波路部分とには光路長差を設け、
     前記光結合する部分のそれぞれの分岐率の値は、分岐率の変動に対する、分岐側光導波路からの光出力の変化が停留となる値の組み合わせとすることを特徴とした光分岐素子の製造方法。
  8.  前記光路長差は、入力する光の波長より短くすることを特徴とした、請求項7記載の光分岐素子の製造方法。
  9.  光分岐素子を構成する前記光結合する部分のうち、2段目以降の前記光結合する部分の分岐比は、当該光結合する部分の前記第1の光導波路と前記第2の光導波路とにそれぞれ入力する光強度の比と等しい値とすることを特徴とした、請求項7または8に記載の光分岐素子の製造方法。
  10.  光分岐素子を構成する前記光結合する部分の分岐率の値は、結合係数の値をすべて同じ値に統一し、結合長の値をそれぞれ変えることによって調整することを特徴とした、請求項7から9のいずれかに記載の光分岐素子の製造方法。
  11.  請求項7から10のいずれかに記載の方法で製造した光分岐素子を2つ設け、第1の光分岐素子の分岐側光導波路からの出力ポートと第2の光分岐素子の入力側光導波路への入力ポートとを結合し、第2の光分岐素子の分岐側光導波路からの出力ポートと第1の光分岐素子の分岐側光導波路への入力ポートとを結合したリング共振器を設けることを特徴とした光分岐回路の製造方法。
  12.  請求項11に記載の方法で製造したリング共振器を少なくとも2つ設け、前段のリング共振器の出力ポートと後段のリング共振器の入力ポートとが結合した多重リング共振器を設けることを特徴とした光分岐回路の製造方法。
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