WO2023243045A1 - 方向性結合器及びその製造方法 - Google Patents

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WO2023243045A1
WO2023243045A1 PCT/JP2022/024158 JP2022024158W WO2023243045A1 WO 2023243045 A1 WO2023243045 A1 WO 2023243045A1 JP 2022024158 W JP2022024158 W JP 2022024158W WO 2023243045 A1 WO2023243045 A1 WO 2023243045A1
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WO
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core layer
optical
refractive index
directional coupler
optical waveguides
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PCT/JP2022/024158
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敬太 望月
一誠 岸本
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三菱電機株式会社
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/125—Bends, branchings or intersections
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method

Definitions

  • the present disclosure relates to a directional coupler configured with an InP-based high mesa optical waveguide and a method for manufacturing the same.
  • Materials for optical semiconductor devices include silicon (Si), indium phosphide (InP), gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN), lithium niobate (LiNbO 3 ), or compound semiconductors based on these.
  • Various materials are used.
  • Optical waveguides are widely used as a basic component in such optical semiconductor devices. An optical waveguide confines light in a certain local area by making the refractive index higher than the surrounding area, and allows the light to propagate in a desired direction by forming that area in a linear shape.
  • directional couplers are also widely used as one of the basic components of optical semiconductor devices for realizing various functions.
  • a directional coupler optically couples the optical propagation modes of two independent optical waveguides by bringing them close to each other at a distance less than the wavelength of the propagating light. This allows arbitrary power of propagating light to be transferred.
  • the tolerance range for the device length to obtain the desired transfer rate is approximately 1 micrometer. There is also the issue of being narrow. The fact that the device length within the tolerance range is smaller than the overall device length indicates that the directional coupler is a device that is more susceptible to manufacturing errors.
  • the SWG structure is a periodic structure in which two optical waveguides that are close to each other at a distance on the order of a wavelength have different waveguide widths, and are provided in a direction perpendicular to the two optical waveguides and have a period equal to or less than the propagation light.
  • the optical power transfer distance is shortened by introducing an asymmetric waveguide width, and the SWG structure compensates for the decrease in the optical power transfer rate, which becomes a problem at this time.
  • the optical waveguide width is 0.5 micrometer or less, and it is easy to form a structure in which two optical waveguides are disposed close to each other at 0.2 micrometer or less. It is difficult to apply the conventional technology to anything other than such Si thin wire waveguides. In particular, since confinement in the height direction of the optical waveguide is weak, deep recesses are required.
  • the optical waveguide width is 0.5 micrometer or more, and a distance between two optical waveguides is required. Therefore, it is difficult to apply the conventional technology to a high mesa optical waveguide based on InP.
  • the present disclosure has been made in order to solve the above-mentioned problems, and the purpose is to provide a directional coupler that can be applied to InP-based high mesa optical waveguides, has a small device size, and is resistant to manufacturing errors, and the like. A manufacturing method is obtained.
  • a directional coupler includes a semiconductor substrate, first and second optical waveguides having a high mesa structure formed side by side on the semiconductor substrate, and surroundings of the first and second optical waveguides. a surrounding cladding formed therein, the first and second optical waveguides are configured to transmit light propagating through one of the first and second optical waveguides to the first and second optical waveguides at a desired power ratio.
  • first curved waveguide that is connected to the input side of the optical power transition section and reduces the distance between the first and second optical waveguides toward the optical power transition section; a second curved waveguide connected to the output side of the optical power transition section and increasing the distance between the first and second optical waveguides as the distance from the optical power transition section increases;
  • the distance between the first and second optical waveguides is equal to or less than the wavelength of the light, and each of the first and second optical waveguides includes a lower cladding layer, a core layer, and a core layer formed in this order on the semiconductor substrate.
  • the first optical waveguide and the second optical waveguide have different widths, and the core layer of the first and second optical waveguides of the optical power transition section has a high mesa structure having an upper cladding layer.
  • a gap core layer is formed on the lower cladding layer between the first and second optical waveguides, and the equivalent refractive index of the gap core layer is such that the equivalent refractive index of the first and second optical waveguides takes into account the leakage of the light in the height direction.
  • the refractive index is lower than the equivalent refractive index of the core layer.
  • the gap core layer is designed such that the equivalent refractive index of the gap core layer is lower than the equivalent refractive index of the core layer of the optical waveguide when light leakage in the height direction is taken into consideration. .
  • the equivalent refractive index of the gap core layer is lower than the equivalent refractive index of the core layer of the optical waveguide when light leakage in the height direction is taken into consideration.
  • FIG. 1 is a top view showing a directional coupler according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 2 is a perspective view showing an optical power transfer section of the directional coupler according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing the results of calculating the branching ratio of a directional coupler for the structure of Embodiment 1, the conventional high mesa waveguide structure, and the conventional buried waveguide structure.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of Embodiment 1 used in the calculation of FIG. 3.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a conventional high mesa waveguide structure used in the calculation of FIG. 3.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a conventional buried waveguide structure used in the calculation of FIG. 3.
  • FIG. 4 is a diagram showing the results of calculating the ratio of optical power contained in each of two optical waveguides by overlapping integration with respect to the optical power distribution at each z position in FIG. 3;
  • FIG. 6 is a diagram showing the results of calculating the branching rate of optical power with respect to the position in the length direction of a directional coupler.
  • FIG. 6 is a diagram showing the results of calculating the branching rate of optical power with respect to the position in the length direction of a directional coupler.
  • FIG. 6 is a diagram showing the results of calculating the branching rate of optical power with respect to the position in the length direction of a directional coupler.
  • FIG. 6 is a diagram showing the results of calculating the branching rate of optical power with respect to the position in the length direction of a directional coupler.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a directional coupler according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing the results of calculating the branching ratio of the directional coupler in the structure of Embodiment 2; 14 is a diagram showing the results of calculating the ratio of optical power contained in each of the first optical waveguide and the second optical waveguide on the input side by overlap integration with respect to the optical power distribution at each z position in FIG. 13.
  • FIG. FIG. 7 is a perspective view showing a directional coupler according to Embodiment 3;
  • FIG. 3 is a plan view showing a mask used when forming a waveguide.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a directional coupler according to a fourth embodiment.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a directional coupler according to a fifth embodiment.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a directional coupler according to a sixth embodiment.
  • FIG. 1 is a top view showing a directional coupler according to a first embodiment.
  • Two optical waveguides 2 and 3 are formed side by side on a semiconductor substrate 1.
  • the optical waveguides 2 and 3 are regions having a higher refractive index than the surrounding area. Light is locally confined in this region. Light propagation is allowed only in a certain direction of the optical waveguides 2 and 3.
  • the optical waveguide 2 has optical waveguides 2a to 2e.
  • the optical waveguide 3 has optical waveguides 3a to 3e.
  • the light 4a input to the directional coupler and the output lights 4b and 4c branched by the directional coupler are schematically shown by arrows.
  • the optical waveguides 2a and 3a on the input side of the directional coupler are arranged side by side.
  • the distance between the optical waveguides 2a and 3a is a sufficient distance that is several times the wavelength of the propagating light.
  • One ends of the optical waveguides 2b and 3b are connected to the optical waveguides 2a and 3a, respectively.
  • the shape of the optical waveguides 2b and 3b is a combination of circular arcs, a combination of a sine wave and a cosine wave, a cycloid curve, a clothoid curve, or the like.
  • the optical waveguides 2b and 3b connected to the input side of the optical power transition section are curved waveguides that reduce the distance between the optical waveguides 2 and 3 toward the optical power transition section. To bring light from several times the wavelength of light to around the same wavelength without optical loss.
  • the length of the optical waveguides 2b and 3b is about 10 times or more than the wavelength of the propagating light.
  • One end of the optical waveguides 2c, 3c of the optical power transfer section is connected to the other end of the optical waveguides 2b, 3b, respectively.
  • the optical waveguides 2c and 3c are arranged parallel to and close to each other.
  • the distance between the optical waveguides 2c and 3c is about the wavelength of propagating light or less.
  • the optical power transfer section branches the light propagating through one of the optical waveguides 2c and 3c to the optical waveguides 2c and 3c at a desired power ratio.
  • optical waveguides 2d and 3d One end of the optical waveguides 2d and 3d is connected to the other end of the optical waveguides 2c and 3c, respectively.
  • the shape of the optical waveguides 2d and 3d is a combination of circular arcs, a combination of a sine wave and a cosine wave, or a cycloid curve.
  • the optical waveguides 2d and 3d connected to the output side of the optical power transition section are curved waveguides in which the distance between the optical waveguides 2 and 3 increases as the distance from the optical power transition section increases. To expand light from about the wavelength of light to several times the wavelength without optical loss.
  • the length of the optical waveguides 2d and 3d is about 10 times or more than the wavelength of the propagating light.
  • Optical waveguides 2e and 3e on the output side of the directional coupler are connected to the other ends of optical waveguides 2d and 3d, respectively.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the optical power transfer section of the directional coupler according to the first embodiment. Note that the x-axis and y-axis are shown in the figure so that the correspondence between the directions in FIGS. 1 and 2 can be understood.
  • the optical waveguide 2c has a high mesa structure including a lower cladding layer 5, a core layer 6a, and an upper cladding layer 7a, which are laminated in this order on the semiconductor substrate 1.
  • the optical waveguide 3c has a high mesa structure including a lower cladding layer 5, a core layer 6b, and an upper cladding layer 7b which are laminated in this order on the semiconductor substrate 1.
  • the core layers 6a and 6b are made of a material having a higher refractive index than the lower cladding layer 5 and the upper cladding layers 7a and 7b, and are regions that confine light.
  • a gap core layer 6c is formed on the lower cladding layer 5 between the core layers 6a and 6b of the optical waveguides 2c and 3c of the optical power transition section.
  • the gap core layer 6c is made of the same material as the core layers 6a, 6b, and the height of the upper surface thereof is dug lower than that of the core layers 6a, 6b.
  • a peripheral cladding 8 is formed around the optical waveguides 2c, 3c.
  • the peripheral cladding 8 is made of a material such as SiO 2 or SiN, which has a refractive index lower than that of the lower cladding layer 5, the core layers 6a, 6b, the upper cladding layers 7a, 7b, and the gap core layer 6c.
  • the width of the optical waveguide 2c is approximately 1.5 times the width of the optical waveguide 3c.
  • the width of the optical waveguides 2a to 2e is approximately 1.5 times the width of the optical waveguides 3a to 3e. Therefore, the directional coupler according to this embodiment is an asymmetric directional coupler in which the optical waveguide 2 and the optical waveguide 3 have different widths. Note that the width of the optical waveguides 2 and 3 is less than or equal to the net wavelength of the propagating light, and the overall height is greater than or equal to the net wavelength.
  • the height of the bottom surface of the gap core layer 6c is the same as the height of the bottom surface of the core layers 6a, 6b. Further, the gap core layer 6c and the core layers 6a and 6b are in contact with each other.
  • the equivalent refractive index of the gap core layer 6c is calculated taking into account the leakage of light from the gap core layer 6c to the surrounding cladding 8 and lower cladding layer 5.
  • the equivalent refractive index of the core layers 6a, 6b is calculated taking into account the leakage of light from the core layers 6a, 6b to the upper cladding layers 7a, 7b and the lower cladding layer 5. Generally, the thinner the core layer is, the more light leaks into the upper and lower cladding layers, and the lower the equivalent refractive index is.
  • the equivalent refractive index of the gap core layer 6c is lower than the equivalent refractive index of the core layers 6a, 6b of the optical waveguides 2c, 3c when light leakage in the height direction is taken into consideration.
  • the gap core layer 6c is dug lower than the core layers 6a, 6b of the optical waveguides 2c, 3c.
  • the gap core layer 6c is adjusted so that the equivalent refractive index n eff of the gap core layer 6c satisfies the following formula (1) with an error of 10% or less when light leakage in the height direction is taken into account. Adjust the amount of digging.
  • n core is the refractive index of the core layers 6a, 6b and the gap core layer 6c.
  • n clad is the refractive index of the surrounding cladding 8.
  • k 0 is the wave number of light propagating in vacuum.
  • w gap is the proximity distance between the optical waveguides 2c and 3c in the optical power transfer section, that is, the width of the gap core layer 6c.
  • a high mesa waveguide has stronger light confinement within the optical waveguide than other optical waveguides such as a buried waveguide or a thin wire waveguide. Furthermore, since deep etching is required to create a gap between the two optical waveguides of the optical power transition section, the width w gap of the gap needs to be at least a certain value. In such a structure, the optical propagation modes in the two optical waveguides are not sufficiently optically coupled to each other, making it difficult for sufficient optical power transfer to occur. Therefore, in this embodiment, by leaving a portion of the gap core layer 6c in the gap portion, each light propagation mode is intentionally expanded toward the gap portion, thereby strengthening the optical coupling.
  • the widths of the optical waveguides 2c and 3c in the optical power transition section are different, the difference in the propagation constant of each optical propagation mode becomes large, so that the optical waveguides 2c and 3c in the optical power transition section have different widths.
  • the transfer distance of optical power can be shortened. As a result, it is possible to realize a directional coupler that achieves both a short optical power transfer distance and a maximum optical power transfer rate of about 50%.
  • FIG. 3 is a diagram showing the results of calculating the branching ratio of the directional coupler for the structure of Embodiment 1, the conventional high mesa waveguide structure, and the conventional buried waveguide structure.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of Embodiment 1 used in the calculation of FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a conventional high mesa waveguide structure used in the calculation of FIG. In the conventional high mesa waveguide structure, the gap portion is completely dug.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a conventional buried waveguide structure used in the calculation of FIG. In the conventional buried waveguide structure, after the gap portion is completely dug, the surrounding area is completely buried with an InP layer 9 having a refractive index of 3.17.
  • Both structures are asymmetric directional couplers in which the optical waveguide 2c on the optical input side and the optical waveguide 3c on the optical output side are adjacent to each other with a gap portion having a width of 0.6 micrometers in between.
  • the optical waveguides 2c and 3c are surrounded by a peripheral cladding 8 made of SiO 2 with a refractive index of 1.45.
  • the width of the optical waveguide 2c is 0.6 micrometers.
  • the width of the optical waveguide 3c is 0.4 micrometers.
  • the optical waveguide 2c includes an upper cladding layer 7a with a thickness of 1.2 micrometers made of InP with a refractive index of 3.17, and a core layer 6a with a thickness of 0.5 micrometers made of AlGaInAs multiple quantum wells with an average refractive index of 3.32. and a lower cladding layer 5 having a thickness of 1.2 micrometers and made of InP with a refractive index of 3.17.
  • the optical waveguide 3c includes an upper cladding layer 7b with a thickness of 1.2 micrometers made of InP with a refractive index of 3.17, and a core layer 6b with a thickness of 0.5 micrometers made of AlGaAsAs multiple quantum wells with an average refractive index of 3.32. and a lower cladding layer 5 having a thickness of 1.2 micrometers and made of InP with a refractive index of 3.17.
  • the equivalent refractive index of the gap core layer 6c is 3.129.
  • the horizontal axis in FIG. 3 represents the position of the directional coupler in the width direction, and corresponds to the x-axis in FIGS. 1 and 2.
  • the vertical axis in FIG. 3 represents the position of the directional coupler in the length direction, and corresponds to the z-axis in FIGS. 1 and 2.
  • the plurality of curves in FIG. 3 are superimposed displays of the power distribution of light every 0.5 micrometers in the z direction, and are illustrated so that the x position where the light is localized can be easily understood visually.
  • FIG. 7 is a diagram showing the results of calculating the ratio of the optical power contained in each of the two optical waveguides by overlapping integration with respect to the optical power distribution at each z position in FIG. 3. From these calculation results, it can be seen that the conventional buried waveguide structure requires a length of 25 micrometers until the optical branching rate reaches 50%. It can be seen that in the conventional high mesa waveguide structure, the optical coupling between the two optical waveguides is too weak, and no matter how long the directional coupler is, almost no optical power transfer occurs. On the other hand, in the structure of Embodiment 1, the optical power branching rate is 50% when the length of the directional coupler is about 8 micrometers, which is about 1/3 of the directivity of the conventional structure. It can be seen that both the shortening of the coupler and the power transfer rate of 50% can be achieved.
  • FIG. 8 to 11 are diagrams showing the results of calculating the branching ratio of optical power with respect to the position in the length direction of the directional coupler.
  • the optical power branching ratio is the ratio of optical power included in each of the two optical waveguides.
  • the height of the gap core layer is changed to change the equivalent refractive index of the gap part from the refractive index of SiO 2 of the surrounding cladding of 1.45 to the refractive index of the multiple quantum well of the core layer of 3.21.
  • 8 to 11 show cases where the gap width w gap between the two optical waveguides is set to 0.2 micrometer, 0.4 micrometer, 0.6 micrometer, and 0.8 micrometer, respectively.
  • the equivalent refractive index conditions indicated by thick lines are the conditions closest to formula (1). From each figure, it can be seen that when the condition of equation (1) is satisfied, the optical power branching rate at the peak position of the graph is approximately 50%. The optical power branching ratio becomes 50% at the peak position of the graph where the slope of the graph becomes small, that is, the region where the change in the optical power branching ratio is the smallest. Therefore, the range of z positions where the optical power branching rate is approximately 50% is widened, and a directional coupler that is robust against manufacturing errors can be realized. At this time, for example, if the error in the optical power branching rate is set to ⁇ 10%, the condition of equation (1) allows an error of about 10% from the optimum condition.
  • the equivalent refractive index of the gap core layer 6c is lower than the equivalent refractive index of the core layers 6a, 6b of the optical waveguides 2c, 3c when light leakage in the height direction is taken into consideration.
  • the gap core layer 6c is designed so that. Specifically, the gap core layer 6c is dug so that the equivalent refractive index n eff of the gap core layer 6c satisfies equation (1) with an error of 10% or less when light leakage in the height direction is taken into account. Adjust the amount of filling. As a result, it is possible to obtain a directional coupler that can be applied to a high mesa optical waveguide based on InP, has a small device size, and is resistant to manufacturing errors.
  • the shape, material, and positional relationship of the directional coupler are not limited to those in this embodiment.
  • the positions of the input-side optical waveguide and the output-side optical waveguide may be swapped.
  • the material of the semiconductor substrate 1 may be Si, GaAs, SiO 2 , SiN or other materials such as LiNbO 3 .
  • the core layer does not need to be a multiple quantum well, but only needs to be a material with a higher refractive index than the cladding layer, and may be, for example, SiO 2 in which the SiO 2 cladding is doped with Ge or the like. In this case, the refractive index of the device is reduced overall, which is disadvantageous for increasing the device size, but the optical loss of propagating light is reduced, so a low-loss device can be realized.
  • FIG. 12 is a perspective view showing a directional coupler according to the second embodiment.
  • the gap core layer 6c is made of the same material as the core layers 6a, 6b, and is partially dug so that its height is lower than that of the core layers 6a, 6b, and has first and second regions 10a, which have different heights.
  • 10b is an SWG (sub-wavelength grating) structure that is periodically repeated at a pitch equal to or less than the net wavelength of light propagating in the optical waveguides 2c and 3c.
  • n gap1 of the first region 10a and the equivalent refractive index n gap2 of the second region 10b when considering the leakage of front light in the height direction are expressed by the following formula (2) with an error of 10% or less. I'm satisfied with that.
  • the equivalent refractive index, that is, the height, of the gap core layer 6c had to be uniquely determined based on the gap width and the refractive index of the material of the optical waveguide.
  • the equivalent refractive index of the gap core layer 6c felt by light propagating in the optical waveguide is the average refractive index of the first and second regions 10a and 10b having different heights determined according to the filling factor. It has a refractive index. Therefore, by introducing the SWG structure, the combination of the two heights of the first and second regions 10a and 10b and the filling factor allows for optimal optical power branching, regardless of the gap width and the refractive index of the material of the optical waveguide. It becomes possible to realize a directional coupler having a ratio.
  • FIG. 13 is a diagram showing the results of calculating the branching ratio of the directional coupler in the structure of the second embodiment.
  • the equivalent refractive index n gap1 in the height direction of the first region 10a is 3.055
  • the equivalent refractive index n gap2 of the second region 10b is 3.205
  • the period of the SWG structure is 0.22 micrometers
  • the filling factor is It was set to 0.5.
  • FIG. 14 is a diagram showing the results of calculating the ratio of optical power contained in each of the first optical waveguide and the second optical waveguide on the input side using overlap integration for the optical power distribution at each z position in FIG. 13. It is. Due to the limitations of the calculation program, the structure had an equivalent refractive index that was approximately 10% smaller than the target value. Therefore, although the optical power transfer rate is smaller than the calculation result of the first embodiment, a characteristic of an optical power transfer rate of around 50%, which is generally as desired, is obtained. From this result, it can be seen that in order to suppress the branching ratio of optical power to 50% ⁇ 10%, the allowable error from the optimum condition of equation (2) is about 10%, which is the same as in the first embodiment.
  • FIG. 15 is a perspective view showing a directional coupler according to the third embodiment. Similar to the second embodiment, in the gap core layer 6c, the first and second regions 10a and 10b are periodically repeated at a pitch equal to or less than the length of the net wavelength of light propagating in the optical waveguides 2c and 3c. It has an SWG structure. The height of the second region 10b is lower than the first region 10a.
  • the width of the optical waveguides 2c, 3c is formed on the side surfaces of the upper cladding layers 7a, 7b of the optical waveguides 2c, 3c, which are opposite to each other, with the same period and the same filling factor as the first and second regions 10a, 10b.
  • Digged portions 11a and 11b are formed with the following widths and depths that do not reach the core layers 6a and 6b.
  • the positions of the dug portions 11a and 11b match the positions of the second region 10b.
  • the positions of the non-engraved portions 12a and 12b on the side surfaces coincide with the position of the first region 10a.
  • FIG. 16 is a plan view showing a mask used when forming a waveguide.
  • the opening 13a of the mask 13 has walls in three directions and has a small aperture ratio. By etching at this opening 13a, dug portions 11a and 11b are formed.
  • the opening 13b has two walls and has a small aperture ratio.
  • a shallow first region 10a is formed by etching at this opening 13b.
  • the opening 13c has no wall and has a large aperture ratio.
  • a deep second region 10b is formed by etching at this opening 13c.
  • the optical waveguides 2c and 3c can be formed by one deep etching. Note that since the actual opening shape of the mask largely depends on the etching apparatus or conditions, the mask shape shown in FIG. 16 is just an example.
  • the regions where the first and second regions 10a and 10b are formed by etching The mask opening area ratio becomes a constant value according to the filling factor.
  • the dug portions 11a and 11b are allowed to be formed on the mutually opposing side surfaces of the upper cladding layers 7a and 7b of the optical waveguides 2c and 3c.
  • the condition of equation (2) of the second embodiment can be used as is.
  • FIG. 17 is a perspective view showing a directional coupler according to Embodiment 4.
  • the gap core layer 6c has a height lower than that of the core layers 6a, 6b, and first and second regions 10a, 10b having the same height and different refractive indexes extend inside the optical waveguides 2c, 3c. It has a structure that repeats periodically at a pitch equal to or less than the net wavelength of the propagating light.
  • the equivalent refractive index n gap1 of the first region 10a and the equivalent refractive index n gap2 of the second region 10b satisfy equation (2) with an error of 10% or less.
  • the height of the gap core layer 6c, the refractive index of the first and second regions 10a and 10b, the filling factor, etc. are set so as to.
  • the first and second regions 10a and 10b can be formed by doping with impurities or the like.
  • impurities or the like.
  • Other configurations and effects are similar to those of the first embodiment.
  • FIG. 18 is a perspective view showing a directional coupler according to the fifth embodiment.
  • the gap core layer 6c has the same height as the core layers 6a, 6b, and is made of a material having a lower refractive index than the core layers 6a, 6b.
  • the refractive index of the gap core layer 6c is set so that the equivalent refractive index n eff of the gap core layer 6c satisfies equation (1) with an error of 10% or less when light leakage in the height direction is taken into account.
  • the gap core layer 6c having a low refractive index can be formed by doping with impurities or the like.
  • the structure of this embodiment can also be formed by embedding another material, which expands the options for manufacturing methods. Other configurations and effects are similar to those of the first embodiment.
  • FIG. 19 is a perspective view showing a directional coupler according to Embodiment 6.
  • the gap core layer 6c has an SWG structure in which first and second regions 10a and 10b having different refractive indexes are periodically repeated at a pitch equal to or less than the length of the net wavelength of light propagating in the optical waveguides 2c and 3c. It is.
  • the first and second regions 10a, 10b have the same height as the core layers 6a, 6b, and are made of a material having a lower refractive index than the core layers 6a, 6b.
  • the equivalent refractive index n gap1 of the first region 10a and the equivalent refractive index n gap2 of the second region 10b satisfy equation (2) with an error of 10% or less.
  • the refractive index, filling factor, etc. of the first and second regions 10a and 10b are set so as to.
  • the first and second regions 10a and 10b of the gap core layer 6c can be formed by doping with impurities or the like.
  • the structure of this embodiment can also be formed by embedding another material, which expands the options for manufacturing methods. Other configurations and effects are similar to those of the first embodiment.

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Abstract

光電力移行部において第１及び第２の光導波路（２ｃ，３ｃ）の間隔は光の波長以下である。第１及び第２の光導波路（２ｃ，３ｃ）の各々は、半導体基板（１）の上に順に形成された下部クラッド層（５）、コア層（６ａ，６ｂ）及び上部クラッド層（７ａ，７ｂ）を有するハイメサ構造である。第１の光導波路（２ｃ）と第２の光導波路（３ｃ）は異なる幅を有する。光電力移行部の第１及び第２の光導波路（２ｃ，３ｃ）のコア層（６ａ，６ｂ）の間において下部クラッド層（５）の上にギャップコア層（６ｃ）が形成されている。高さ方向への光の漏れ出しを考慮した時のギャップコア層（６ｃ）の等価屈折率が第１及び第２の光導波路（２ｃ，３ｃ）のコア層（６ａ，６ｂ）の等価屈折率よりも低い。

Description

方向性結合器及びその製造方法
　本開示は、ＩｎＰをベースとしたハイメサ光導波路で構成された方向性結合器及びその製造方法に関する。
　光半導体デバイスの材料として、シリコン（Ｓｉ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、又はそれらを基礎とする化合物半導体などの様々な材料が用いられている。このような光半導体デバイスにおいて光導波路が基本的な構成要素として広く用いられている。光導波路は、周囲よりも屈折率を高くすることで光をある局所的な領域に閉じ込め、その領域を線状に形成することで光を所望の方向に伝搬させるものである。
　また、方向性結合器も、様々な機能を実現するための光半導体デバイスの基本的な構成要素の１つとして広く用いられている。方向性結合器は、２つの独立した光導波路を伝搬光の波長以下の距離に近接させることで２つの導波路の光伝搬モードを光学的に結合する。これにより、伝搬光の任意の電力を移行させることができる。
　しかし、一般的な方向性結合器では、一方の光導波路を伝搬する光電力を十分に他方の光導波路へと移行するためには、伝搬する光の波長の数十倍程度と長い距離が必要になり、デバイスサイズが大きくなるという課題がある。
　また、方向性結合器でよく用いられる、光電力の５０％を他方に分岐する３ｄＢカプラ及び３ｄＢスプリッタでは、所望の移行率が得られるデバイス長の許容誤差範囲が約１マイクロメートル程度と非常に狭いという課題もある。全体としてのデバイス長に対し、許容誤差範囲のデバイス長が小さいという事は、方向性結合器はそれだけ製造誤差に弱いデバイスであるという事を示している。
　これらの課題を解決するための技術として、Ｓｉをベースとした細線導波路で構成された方向性結合器において、いわゆるサブウェーブレングス・グレーティング（Sub-wavelength Grating: SWG）構造を導入することで、一方の光導波路から他方の光導波路への光電力の移行距離を短縮する技術が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。ＳＷＧ構造は、波長程度の距離に近接した２つの光導波路の導波路幅を異なる値にしつつ、２つの光導波路に対して垂直方向に設けられた伝搬光以下の周期の周期構造である。この手法では、非対称導波路幅の導入によって光電力の移行距離を短縮し、その際に問題になる光電力の移行率の低下をＳＷＧ構造によって補う。これにより、方向性結合器でありながら、デバイス長が短い３ｄＢカプラの実現に成功している。
　Ｓｉ細線導波路では、光導波路幅が０．５マイクロメートル以下であり、２つの光導波路を０．２マイクロメートル以下に近接させた構造の形成が容易である。従来技術は、このようなＳｉ細線導波路以外への適用は困難である。特に、光導波路の高さ方向への閉じ込めが弱いために深い掘り込み部が必要である。一方、ＩｎＰをベースとしたハイメサ光導波路では、光導波路幅が０．５マイクロメートル以上であり、２つの光導波路間距離が必要である。従って、従来技術はＩｎＰをベースとしたハイメサ光導波路への適用は困難である。
　本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はＩｎＰをベースとしたハイメサ光導波路にも適用でき、デバイスサイズが小さく、製造誤差に強い方向性結合器及びその製造方法を得るものである。
　本開示に係る方向性結合器は、半導体基板と、前記半導体基板の上に並んで形成されたハイメサ構造の第１及び第２の光導波路と、前記第１及び第２の光導波路の周囲に形成された周囲クラッドとを備え、前記第１及び第２の光導波路は、前記第１及び第２の光導波路の一方を伝搬する光を前記第１及び第２の光導波路に所望の電力比率に分岐する光電力移行部と、前記光電力移行部の入力側に接続され前記光電力移行部に向かうほど前記第１及び第２の光導波路の間隔を縮小させる第１の曲線導波路と、前記光電力移行部の出力側に接続され前記光電力移行部から遠ざかるほど前記第１及び第２の光導波路の間隔を拡大させる第２の曲線導波路とを有し、前記光電力移行部において前記第１及び第２の光導波路の間隔は前記光の波長以下であり、前記第１及び第２の光導波路の各々は、前記半導体基板の上に順に形成された下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層を有するハイメサ構造であり、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路は異なる幅を有し、前記光電力移行部の前記第１及び第２の光導波路の前記コア層の間において前記下部クラッド層の上にギャップコア層が形成され、高さ方向への前記光の漏れ出しを考慮した時の前記ギャップコア層の等価屈折率が前記第１及び第２の光導波路の前記コア層の等価屈折率よりも低いことを特徴とする。
　本開示では、高さ方向への光の漏れ出しを考慮した時のギャップコア層の等価屈折率が光導波路のコア層の等価屈折率よりも低くなるように、ギャップコア層が設計されている。これにより、ＩｎＰをベースとしたハイメサ光導波路にも適用でき、デバイスサイズが小さく、製造誤差に強い方向性結合器を得ることができる。
実施の形態１に係る方向性結合器を示す上面図である。 実施の形態１に係る方向性結合器の光電力移行部を示す斜視図である。 実施の形態１の構造、従来のハイメサ導波路構造、従来の埋込み導波路構造について方向性結合器の分岐率を計算した結果を示す図である。 図３の計算に用いた実施の形態１の構造を示す断面図である。 図３の計算に用いた従来のハイメサ導波路構造を示す断面図である。 図３の計算に用いた従来の埋込み導波路構造を示す断面図である。 図３の各ｚ位置の光パワー分布に対し、重なり積分により２つの光導波路にそれぞれ含まれる光電力の比率を計算した結果を示す図である。 方向性結合器の長さ方向の位置に対する光電力の分岐率を計算した結果を示す図である。 方向性結合器の長さ方向の位置に対する光電力の分岐率を計算した結果を示す図である。 方向性結合器の長さ方向の位置に対する光電力の分岐率を計算した結果を示す図である。 方向性結合器の長さ方向の位置に対する光電力の分岐率を計算した結果を示す図である。 実施の形態２に係る方向性結合器を示す斜視図である。 実施の形態２の構造における方向性結合器の分岐率を計算した結果を示す図である。 図１３の各ｚ位置の光パワー分布に対し、重なり積分により入力側の第１の光導波路と第２の光導波路のそれぞれに含まれる光電力の比率を計算した結果を示す図である。 実施の形態３に係る方向性結合器を示す斜視図である。 導波路を形成する際に用いるマスクを示す平面図である。 実施の形態４に係る方向性結合器を示す斜視図である。 実施の形態５に係る方向性結合器を示す斜視図である。 実施の形態６に係る方向性結合器を示す斜視図である。
　実施の形態に係る方向性結合器及びその製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る方向性結合器を示す上面図である。半導体基板１の上に２つの光導波路２，３が並んで形成されている。光導波路２，３は、周囲よりも屈折率が高い領域である。この領域に光が局所的に閉じ込められる。光導波路２，３のある特定の方向にのみ光の伝搬が許容される。光導波路２は光導波路２ａ～２ｅを有する。光導波路３は光導波路３ａ～３ｅを有する。なお、図１において、方向性結合器に入力する光４ａと、方向性結合器によって分岐した出力光４ｂ，４ｃを矢印で模式的に示している。
　方向性結合器の入力側の光導波路２ａ，３ａが並んで配置されている。光導波路２ａ，３ａの間隔は伝搬光の波長の数倍以上の十分な距離である。光導波路２ｂ，３ｂの一端がそれぞれ光導波路２ａ，３ａに接続されている。光導波路２ｂ，３ｂの形状は、円弧の組み合わせ、正弦波と余弦波の組み合わせ、サイクロイド曲線、又はクロソイド曲線などである。光電力移行部の入力側に接続された光導波路２ｂ，３ｂは、光電力移行部に向かうほど光導波路２，３の間隔を縮小させる曲線導波路であり、光導波路２，３の間隔を伝搬光の波長サイズの数倍以上から波長サイズ程度にまで光損失なく近接させる。光導波路２ｂ，３ｂの長さは伝搬光の波長の１０倍程度又はそれ以上である。
　光電力移行部の光導波路２ｃ，３ｃの一端がそれぞれ光導波路２ｂ，３ｂの他端に接続されている。光導波路２ｃ，３ｃは互いに平行かつ近接して配置されている。光導波路２ｃ，３ｃの間隔は伝搬光の波長程度又はそれ以下である。光電力移行部は、光導波路２ｃ，３ｃの一方を伝搬する光を光導波路２ｃ，３ｃに所望の電力比率に分岐する。
　光導波路２ｄ，３ｄの一端がそれぞれ光導波路２ｃ，３ｃの他端に接続されている。光導波路２ｄ，３ｄの形状は、円弧の組み合わせ、正弦波と余弦波の組み合わせ、又はサイクロイド曲線などである。光電力移行部の出力側に接続された光導波路２ｄ，３ｄは、光電力移行部から遠ざかるほど光導波路２，３の間隔を拡大させる曲線導波路であり、光導波路２，３の間隔を伝搬光の波長程度から波長の数倍以上まで光損失なく拡大させる。光導波路２ｄ，３ｄの長さは伝搬光の波長の１０倍程度又はそれ以上である。方向性結合器の出力側の光導波路２ｅ，３ｅがそれぞれ光導波路２ｄ，３ｄの他端に接続されている。
　図２は、実施の形態１に係る方向性結合器の光電力移行部を示す斜視図である。なお、図１と図２の方向の対応がわかるようにｘ軸とｙ軸を図中に記載している。光導波路２ｃは、半導体基板１の上に順に積層された下部クラッド層５、コア層６ａ、上部クラッド層７ａを有するハイメサ構造である。光導波路３ｃは、半導体基板１の上に順に積層された下部クラッド層５、コア層６ｂ、上部クラッド層７ｂを有するハイメサ構造である。
　コア層６ａ，６ｂは、下部クラッド層５及び上部クラッド層７ａ，７ｂよりも高い屈折率をもつ材料で構成され、光を閉じ込める領域である。ギャップコア層６ｃが、光電力移行部の光導波路２ｃ，３ｃのコア層６ａ，６ｂの間において下部クラッド層５の上に形成されている。ギャップコア層６ｃは、コア層６ａ，６ｂと同じ材料からなり、上面の高さがコア層６ａ，６ｂよりも低く掘り込まれている。
　周囲クラッド８が光導波路２ｃ，３ｃの周囲に形成されている。周囲クラッド８は、下部クラッド層５、コア層６ａ，６ｂ、上部クラッド層７ａ，７ｂ、ギャップコア層６ｃの屈折率よりも低い屈折率を有する例えばＳｉＯ２又はＳｉＮなどの材料からなる。
　光導波路２ｃの幅は光導波路３ｃの幅の約１．５倍である。同様に、光導波路２ａ～２ｅの幅は光導波路３ａ～３ｅの幅の約１．５倍である。従って、本実施の形態に係る方向性結合器は、光導波路２と光導波路３が異なる幅を有する非対称方向性結合器である。なお、光導波路２，３の幅は伝搬光の正味の波長以下であり、全体の高さは正味の波長以上である。コア層６ａ，６ｂ、ギャップコア層６ｃは共通の下部クラッド層５の上に形成されているため、ギャップコア層６ｃの下面の高さはコア層６ａ，６ｂの下面の高さと同じである。また、ギャップコア層６ｃとコア層６ａ，６ｂは互いに接している。
　ギャップコア層６ｃの等価屈折率は、ギャップコア層６ｃから周囲クラッド８及び下部クラッド層５への光の漏れ出しを考慮して計算される。コア層６ａ，６ｂの等価屈折率は、コア層６ａ，６ｂから上部クラッド層７ａ，７ｂ及び下部クラッド層５への光の漏れ出しを考慮して計算される。一般的にコア層の厚みが薄いほど光は上下のクラッド層に漏れ出して等価屈折率が低下する。そこで、本実施の形態では、高さ方向への光の漏れ出しを考慮した時のギャップコア層６ｃの等価屈折率が光導波路２ｃ，３ｃのコア層６ａ，６ｂの等価屈折率よりも低くなるように、ギャップコア層６ｃを光導波路２ｃ，３ｃのコア層６ａ，６ｂよりも低く掘り込む。
　具体的には、高さ方向への光の漏れ出しを考慮した時のギャップコア層６ｃの等価屈折率ｎｅｆｆが以下の式（１）を誤差１０％以下で満足するようにギャップコア層６ｃの掘り込み量を調整する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
ここで、ｎｃｏｒｅはコア層６ａ，６ｂとギャップコア層６ｃの屈折率である。ｎｃｌａｄは周囲クラッド８の屈折率である。ｋ０は真空中を伝搬する光の波数である。ｗｇａｐは光電力移行部の光導波路２ｃ，３ｃの近接距離、即ちギャップコア層６ｃの幅である。
　ハイメサ導波路は、埋込み導波路又は細線導波路などの他の光導波路と比較して光導波路内への光の閉じ込めが強い。また、光電力移行部の２つの光導波路間のギャップ部の生成には深堀りエッチングが必要であるため、ギャップ部の幅ｗｇａｐは一定値以上が必要である。このような構造では２つの光導波路における光伝搬モード同士が十分に光学的に結合せず、光電力の移行が十分には発生しにくい。そこで、本実施の形態では、ギャップ部にギャップコア層６ｃの一部を残存させることで、意図的にそれぞれの光伝搬モードをギャップ部方向に拡張し、光学的な結合を強めている。また、光電力移行部の光導波路２ｃ，３ｃの幅が異なる非対称導波路幅を採用することで、それぞれの光伝搬モードの伝搬定数差が大きくなるため、一方の光導波路から他方の光導波路への光電力の移行距離を短くすることができる。この結果、短い光電力の移行距離と最大５０％程度の光電力の移行率とを両立させた方向性結合器を実現できる。
　図３は、実施の形態１の構造、従来のハイメサ導波路構造、従来の埋込み導波路構造について方向性結合器の分岐率を計算した結果を示す図である。図４は、図３の計算に用いた実施の形態１の構造を示す断面図である。図５は、図３の計算に用いた従来のハイメサ導波路構造を示す断面図である。従来のハイメサ導波路構造ではギャップ部を完全に掘り込んでいる。図６は、図３の計算に用いた従来の埋込み導波路構造を示す断面図である。従来の埋込み導波路構造では、ギャップ部を完全に掘り込んだ後、周囲を屈折率３．１７のＩｎＰ層９で完全に埋め込んでいる。
　何れの構造も、光入力側の光導波路２ｃと光出力側の光導波路３ｃが幅０．６マイクロメートルのギャップ部を挟んで近接している非対称方向性結合器である。光導波路２ｃ，３ｃの周囲は、屈折率１．４５のＳｉＯ２からなる周囲クラッド８で囲まれている。光導波路２ｃの幅は０．６マイクロメートルである。光導波路３ｃの幅は０．４マイクロメートルである。光導波路２ｃは、屈折率３．１７のＩｎＰからなる厚み１．２マイクロメートルの上部クラッド層７ａと、平均屈折率３．３２のＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸からなる厚み０．５マイクロメートルのコア層６ａと、屈折率３．１７のＩｎＰからなる厚み１．２マイクロメートルの下部クラッド層５とを有する。光導波路３ｃは、屈折率３．１７のＩｎＰからなる厚み１．２マイクロメートルの上部クラッド層７ｂと、平均屈折率３．３２のＡｌＧａＡｓＡｓ多重量子井戸からなる厚み０．５マイクロメートルのコア層６ｂと、屈折率３．１７のＩｎＰからなる厚み１．２マイクロメートルの下部クラッド層５とを有する。実施の形態１の構造では、ギャップコア層６ｃの等価屈折率が３．１２９となる。
　図３の横軸は方向性結合器の幅方向の位置を表し、図１、図２におけるｘ軸に対応する。図３の縦軸は方向性結合器の長さ方向の位置を表し、図１、図２におけるｚ軸に対応する。図３の複数の曲線はｚ方向０．５マイクロメートルごとの光のパワー分布を重ねて表示したものであり、光が局在しているｘ位置が視覚的にわかりやすいように図示している。図３のｘ＝－０．６マイクロメートル付近が光導波路２ｃが設置されている位置である。図３のｘ＝０．４マイクロメートル付近が光導波路３ｃが設置されている位置である。
　図７は、図３の各ｚ位置の光パワー分布に対し、重なり積分により２つの光導波路にそれぞれ含まれる光電力の比率を計算した結果を示す図である。これらの計算結果より、従来の埋込み導波路構造では、光分岐率が５０％に到達するまでに２５マイクロメートルの長さが必要であることが分かる。従来のハイメサ導波路構造では、２つの光導波路間の光学的な結合が弱すぎ、どれだけ方向性結合器が長くても、光電力の移行がほぼ発生しないことが分かる。一方、実施の形態１の構造では、方向性結合器の長さが約８マイクロメートル付近で光電力の分岐率が５０％になっており、従来構造と比較して約１／３の方向性結合器の短縮化と、５０％の電力移行率の両立を実現できていることが分かる。
　次に、式（１）の効果について説明する。図８から図１１は、方向性結合器の長さ方向の位置に対する光電力の分岐率を計算した結果を示す図である。光電力の分岐率は、２つの光導波路のそれぞれに含まれる光電力の比率である。図４の構造でギャップコア層の高さを変更してギャップ部の等価屈折率を、周囲クラッドのＳｉＯ２の屈折率１．４５からコア層の多重量子井戸の屈折率３．２１まで変化させている。図８から図１１は、２つの光導波路間のギャップ幅ｗｇａｐをそれぞれ０．２マイクロメートル、０．４マイクロメートル、０．６マイクロメートル、０．８マイクロメートルにした場合である。
　各図において太線で示す等価屈折率条件が、それぞれ式（１）に最も近い条件である。各図より、式（１）の条件を満たす場合にグラフのピーク位置の光電力分岐率が約５０％になることが分かる。グラフの傾きが小さくなるグラフのピーク位置、即ち光電力分岐比の変化が最も小さくなる領域で光電力分岐率が５０％となる。従って、光電力分岐率がおよそ５０％となるｚ位置の範囲が広くなり、製造誤差に対してロバストな方向性結合器を実現することができる。このとき、例えば光電力分岐率の誤差を±１０％と定めると、式（１）の条件は最適条件から約１０％の誤差が許容されることになる。
　以上より、本実施の形態では、高さ方向への光の漏れ出しを考慮した時のギャップコア層６ｃの等価屈折率が光導波路２ｃ，３ｃのコア層６ａ，６ｂの等価屈折率よりも低くなるように、ギャップコア層６ｃが設計されている。具体的には、高さ方向への光の漏れ出しを考慮した時のギャップコア層６ｃの等価屈折率ｎｅｆｆが式（１）を誤差１０％以下で満足するようにギャップコア層６ｃの掘り込み量を調整する。これにより、ＩｎＰをベースとしたハイメサ光導波路にも適用でき、デバイスサイズが小さく、製造誤差に強い方向性結合器を得ることができる。
　なお、方向性結合器の形状、素材、位置関係は本実施の形態に限られない。例えば、入力側の光導波路と出力側の光導波路の位置は入れ替わってもよい。半導体基板１の材料はＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、又はＬｉＮｂＯ３などの他の材料でもよい。コア層は、多重量子井戸である必要はなく、クラッド層よりも高屈折率材料でさえあればよく、例えばＳｉＯ２クラッドに対してＧｅなどをドープしたＳｉＯ２などでもよい。この場合、デバイスの屈折率が全体的に小さくなるため、デバイスサイズの大型化には不利であるが、伝搬光の光損失が小さくなるため、低損失なデバイスを実現できる。
実施の形態２．
　図１２は、実施の形態２に係る方向性結合器を示す斜視図である。ギャップコア層６ｃは、コア層６ａ，６ｂと同じ材料からなり、高さがコア層６ａ，６ｂよりも低くなるように一部掘り込まれ、高さが異なる第１及び第２の領域１０ａ，１０ｂが光導波路２ｃ，３ｃ内を伝搬する光の正味の波長の長さ以下のピッチで周期的に繰り返すＳＷＧ（Sub-wavelength Grating）構造である。
　高さ方向への前光の漏れ出しを考慮した時の第１の領域１０ａの等価屈折率ｎｇａｐ１と第２の領域１０ｂの等価屈折率ｎｇａｐ２が以下の式（２）を誤差１０％以下で満足する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
ここで、ｎｇａｐ１とｎｇａｐ２はそれぞれ第１及び第２の領域１０ａ，１０ｂの等価屈折率、ｆは第１の領域１０ａがギャップコア層６ｃの全体に対して占める光伝搬方向の長さの割合を示すフィリングファクターである。第１の領域１０ａの長さをａ［ｕｍ］、第２の領域１０ｂの長さｗおｂ［ｕｍ］とするとｆ＝ａ／（ａ＋ｂ）となる。その他の構成は実施の形態１と同様である。
　実施の形態１では、ギャップ幅と光導波路の材料の屈折率により、ギャップコア層６ｃの等価屈折率、即ち高さを一意に決定せざるを得なかった。しかし、本実施の形態では、光導波路内を伝搬する光が感じるギャップコア層６ｃの等価屈折率は、フィリングファクターに応じて決まる異なる高さの第１及び第２の領域１０ａ，１０ｂの平均的な屈折率になる。従って、ＳＷＧ構造の導入により、第１及び第２の領域１０ａ，１０ｂの２つの高さとフィリングファクターの組み合わせで、ギャップ幅と光導波路の材料の屈折率によらずに、最適な光電力の分岐比率を持つ方向性結合器を実現することが可能となる。
　図１３は、実施の形態２の構造における方向性結合器の分岐率を計算した結果を示す図である。第１の領域１０ａの高さ方向の等価屈折率ｎｇａｐ１が３．０５５、第２の領域１０ｂの等価屈折率ｎｇａｐ２が３．２０５、ＳＷＧ構造の周期が０．２２マイクロメートル、フィリングファクターが０．５となるようにした。その他の条件は図３の場合と同じである。図中のｘ＝－０．６マイクロメートル付近が光導波路２ｃが設置されている位置、ｘ＝０．４マイクロメートル付近が光導波路３ｃが設置されている位置である。
　図１４は、図１３の各ｚ位置の光パワー分布に対し、重なり積分により入力側の第１の光導波路と第２の光導波路のそれぞれに含まれる光電力の比率を計算した結果を示す図である。計算プログラムの制約により、狙い値よりも１０％程度小さな等価屈折率の構造となった。このため、実施の形態１の計算結果と比較して光電力の移行率は小さくなっているが、おおむね狙い通りの光電力移行率５０％付近の特性が得られている。この結果より、光電力の分岐比率が５０％±１０％に抑えるには、式（２）の最適条件からの許容誤差は実施の形態１と同様の約１０％であることが分かる。
実施の形態３．
　図１５は、実施の形態３に係る方向性結合器を示す斜視図である。実施の形態２と同様に、ギャップコア層６ｃは、第１及び第２の領域１０ａ，１０ｂが光導波路２ｃ，３ｃ内を伝搬する光の正味の波長の長さ以下のピッチで周期的に繰り返すＳＷＧ構造である。第２の領域１０ｂの高さは第１の領域１０ａよりも低い。
　本実施の形態では、光導波路２ｃ，３ｃの上部クラッド層７ａ，７ｂの互いに向かい合う側面に、第１及び第２の領域１０ａ，１０ｂと同じ周期かつ同じフィリングファクターで、光導波路２ｃ，３ｃの幅以下の幅、かつコア層６ａ，６ｂに到達しない深さの掘り込み部１１ａ，１１ｂが形成されている。光伝搬方向（ｚ方向）において掘り込み部１１ａ，１１ｂの位置と第２の領域１０ｂの位置が一致している。光伝搬方向において側面の非掘り込み部１２ａ，１２ｂの位置と第１の領域１０ａの位置が一致している。
　図１６は、導波路を形成する際に用いるマスクを示す平面図である。マスク１３の開口部１３ａは３方向壁で開口率が小さい。この開口部１３ａでのエッチングにより掘り込み部１１ａ，１１ｂが形成される。開口部１３ｂは２方向壁で開口率が小さい。この開口部１３ｂでのエッチングにより浅い第１の領域１０ａが形成される。開口部１３ｃは壁無しで開口率が大きい。この開口部１３ｃでのエッチングにより深い第２の領域１０ｂが形成される。このようにエッチング深さがマスクの開口率に依存するマイクロローディング効果を活用して、１回のディープエッチングで光導波路２ｃ，３ｃを形成することができる。なお、実際のマスクの開口形状はエッチング装置又は条件に大きく依存するため、図１６のマスク形状はあくまで一例である。
　実施の形態２のように光導波路２ｃ，３ｃの上部クラッド層７ａ，７ｂの側面に掘り込み部１１ａ，１１ｂが形成されていない場合、第１及び第２の領域１０ａ，１０ｂをエッチング形成する領域のマスク開口面積比はフィリングファクターに従って一定値になる。これに対して、本実施の形態では、光導波路２ｃ，３ｃの上部クラッド層７ａ，７ｂの互いに向かい合う側面に掘り込み部１１ａ，１１ｂを形成することを許容する。これにより、深くエッチングする第２の領域１０ｂに対応するマスク開口を幅方向（ｘ方向）に広くできるため、エッチング時の開口率を自由に設計することが可能となる。開口率とギャップコア層６ｃの高さを自由に設計することにより、マイクロローディング効果により一括で掘り込み部１１ａ，１１ｂを形成できる構造を実現できる。また、光導波路の対向側面に形成した開口率調整のための掘り込み部１１ａ，１１ｂの深さをコア層６ａ，６ｂまで到達しないようにすることで、光導波路内を伝搬する光モードへの影響を軽微に抑えることができる。従って、実施の形態２の式（２）の条件をそのまま活用することができる。
実施の形態４．
　図１７は、実施の形態４に係る方向性結合器を示す斜視図である。ギャップコア層６ｃは、高さがコア層６ａ，６ｂよりも低く掘り込まれ、高さが互いに同じで屈折率が互いに異なる第１及び第２の領域１０ａ，１０ｂが光導波路２ｃ，３ｃ内を伝搬する光の正味の波長の長さ以下のピッチで周期的に繰り返す構造である。高さ方向への前光の漏れ出しを考慮した時の第１の領域１０ａの等価屈折率ｎｇａｐ１と第２の領域１０ｂの等価屈折率ｎｇａｐ２が式（２）を誤差１０％以下で満足するようにギャップコア層６ｃの高さ、第１及び第２の領域１０ａ，１０ｂの屈折率、フィリングファクター等が設定されている。不純物のドーピングなどで第１及び第２の領域１０ａ，１０ｂを形成することができる。例えばＬｉＮｂＯ３などのように微細なエッチング加工が困難な材料に対して、代替手段を活用して本実施の形態の構造を適用することが可能になる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
実施の形態５．
　図１８は、実施の形態５に係る方向性結合器を示す斜視図である。ギャップコア層６ｃは、高さがコア層６ａ，６ｂと同じで、屈折率がコア層６ａ，６ｂよりも低い材料からなる。高さ方向への光の漏れ出しを考慮した時のギャップコア層６ｃの等価屈折率ｎｅｆｆが式（１）を誤差１０％以下で満足するようにギャップコア層６ｃの屈折率が設定されている。不純物のドーピングなどで低屈折率のギャップコア層６ｃを形成することができる。例えばＬｉＮｂＯ３などのように微細なエッチング加工が困難な材料に対して、代替手段を活用して本実施の形態の構造を適用することが可能になる。また、本実施の形態の構造は、別材料の埋込で形成することもでき、製造手法の選択肢を広げられる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
実施の形態６．
　図１９は、実施の形態６に係る方向性結合器を示す斜視図である。ギャップコア層６ｃは、屈折率が互いに異なる第１及び第２の領域１０ａ，１０ｂが、光導波路２ｃ，３ｃ内を伝搬する光の正味の波長の長さ以下のピッチで周期的に繰り返すＳＷＧ構造である。第１及び第２の領域１０ａ，１０ｂは、高さがコア層６ａ，６ｂと同じで、屈折率がコア層６ａ，６ｂよりも低い材料からなる。高さ方向への前光の漏れ出しを考慮した時の第１の領域１０ａの等価屈折率ｎｇａｐ１と第２の領域１０ｂの等価屈折率ｎｇａｐ２が式（２）を誤差１０％以下で満足するように第１及び第２の領域１０ａ，１０ｂの屈折率、フィリングファクター等が設定されている。不純物のドーピングなどでギャップコア層６ｃの第１及び第２の領域１０ａ，１０ｂを形成することができる。例えばＬｉＮｂＯ３などのように微細なエッチング加工が困難な材料に対して、代替手段を活用して本実施の形態の構造を適用することが可能になる。また、本実施の形態の構造は、別材料の埋込で形成することもでき、製造手法の選択肢を広げられる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
１　半導体基板、２　光導波路（第１の光導波路）、３　光導波路（第２の光導波路）、２ｂ，３ｂ　光導波路（第１の曲線導波路）、２ｃ，３ｃ　光導波路（光電力移行部）、２ｄ，３ｄ　光導波路（第２の曲線導波路）、５　下部クラッド層、６ａ，６ｂ　コア層、６ｃ　ギャップコア層、７ａ，７ｂ　上部クラッド層、８　周囲クラッド、１０ａ　第１の領域、１０ｂ　第２の領域、１１ａ，１１ｂ　掘り込み部、１２ａ，１２ｂ　非掘り込み部、１３　マスク

Claims (9)

  1. 　半導体基板と、
    　前記半導体基板の上に並んで形成されたハイメサ構造の第１及び第２の光導波路と、
    　前記第１及び第２の光導波路の周囲に形成された周囲クラッドとを備え、
    　前記第１及び第２の光導波路は、前記第１及び第２の光導波路の一方を伝搬する光を前記第１及び第２の光導波路に所望の電力比率に分岐する光電力移行部と、前記光電力移行部の入力側に接続され前記光電力移行部に向かうほど前記第１及び第２の光導波路の間隔を縮小させる第１の曲線導波路と、前記光電力移行部の出力側に接続され前記光電力移行部から遠ざかるほど前記第１及び第２の光導波路の間隔を拡大させる第２の曲線導波路とを有し、
    　前記光電力移行部において前記第１及び第２の光導波路の間隔は前記光の波長以下であり、
    　前記第１及び第２の光導波路の各々は、前記半導体基板の上に順に形成された下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層を有するハイメサ構造であり、
    　前記第１の光導波路と前記第２の光導波路は異なる幅を有し、
    　前記光電力移行部の前記第１及び第２の光導波路の前記コア層の間において前記下部クラッド層の上にギャップコア層が形成され、
    　高さ方向への前記光の漏れ出しを考慮した時の前記ギャップコア層の等価屈折率が前記第１及び第２の光導波路の前記コア層の等価屈折率よりも低いことを特徴とする方向性結合器。
  2. 　ｎｃｏｒｅは前記コア層と前記ギャップコア層の屈折率、ｎｃｌａｄは前記周囲クラッドの屈折率、ｋ０は真空中を伝搬する光の波数、ｗｇａｐは前記光電力移行部の前記第１及び第２の光導波路の近接距離であり、高さ方向への前記光の漏れ出しを考慮した時の前記ギャップコア層の等価屈折率ｎｅｆｆが
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
    を誤差１０％以下で満足することを特徴とする請求項１の方向性結合器。
  3. 　前記ギャップコア層は、前記コア層と同じ材料からなり、高さが前記コア層よりも低く掘り込まれていることを特徴とする請求項２に記載の方向性結合器。
  4. 　前記ギャップコア層は、高さが異なる第１及び第２の領域が前記光の波長の長さ以下のピッチで周期的に繰り返す構造であり、
    　ｆは前記第１の領域が前記ギャップコア層の全体に対して占める光伝搬方向の長さの割合を示すフィリングファクターであり、高さ方向への前記光の漏れ出しを考慮した時の前記第１の領域の等価屈折率ｎｇａｐ１と前記第２の領域の等価屈折率ｎｇａｐ２が
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
    を誤差１０％以下で満足することを特徴とする請求項３に記載の方向性結合器。
  5. 　前記第１及び第２の光導波路の前記上部クラッド層の互いに向かい合う側面に、前記第１及び第２の領域と同じ周期かつ同じフィリングファクターで、前記第１及び第２の光導波路の幅以下の幅、かつ前記コア層に到達しない深さの掘り込み部が形成され、
    　前記第２の領域の高さが前記第１の領域よりも低く、
    　光伝搬方向において前記側面の掘り込み部の位置と前記第２の領域の位置が一致し、
    　光伝搬方向において前記側面の非掘り込み部の位置と前記第１の領域の位置が一致することを特徴とする請求項４に記載の方向性結合器。
  6. 　前記ギャップコア層は、高さが前記コア層よりも低く掘り込まれ、高さが互いに同じで屈折率が互いに異なる第１及び第２の領域が前記光の波長の長さ以下のピッチで周期的に繰り返す構造であり、
    　ｆは前記第１の領域が前記ギャップコア層の全体に対して占める光伝搬方向の長さの割合を示すフィリングファクターであり、高さ方向への前記光の漏れ出しを考慮した時の前記第１の領域の等価屈折率ｎｇａｐ１と前記第２の領域の等価屈折率ｎｇａｐ２が
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
    を誤差１０％以下で満足することを特徴とする請求項２に記載の方向性結合器。
  7. 　前記ギャップコア層は、高さが前記コア層と同じで、屈折率が前記コア層よりも低い材料からなることを特徴とする請求項２に記載の方向性結合器。
  8. 　前記ギャップコア層は、屈折率が互いに異なる第１及び第２の領域が前記光の波長の長さ以下のピッチで周期的に繰り返す構造であり、
    　ｆは前記第１の領域が前記ギャップコア層の全体に対して占める光伝搬方向の長さの割合を示すフィリングファクターであり、高さ方向への前記光の漏れ出しを考慮した時の前記第１の領域の等価屈折率ｎｇａｐ１と前記第２の領域の等価屈折率ｎｇａｐ２が
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
    を誤差１０％以下で満足することを特徴とする請求項７に記載の方向性結合器。
  9. 　請求項５に記載の方向性結合器を形成する方法であって、
    　エッチング深さがマスクの開口率に依存するマイクロローディング効果を活用して、１回のディープエッチングで前記第１及び第２の光導波路を形成することを特徴とする方向性結合器の製造方法。
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