光遅延回路、集積光素子および集積光素子の製造方法
【課題】小型で、環境変動に対し安定で制御しやすい光遅延回路を得ること。
【解決手段】フォトニック結晶の周期的な屈折率分布構造に対して導入される線状の欠陥によって形成される欠陥導波路３ａ，３ｂが複数並列に配置されてなる光遅延回路１であって、欠陥導波路３ａ，３ｂは、欠陥導波路３ａ，３ｂ間の距離が近接して配置され、光の合分波を行う合分波部４ａ，４ｂと、合分波部４ａ，４ｂから分岐し、欠陥導波路３ａ，３ｂ中を伝送する光が互いに干渉しない欠陥導波路間の距離を有して配置される光遅延部と、を備え、複数の欠陥導波路３ａ，３ｂ間の構成を異ならせる。
【解決手段】フォトニック結晶の周期的な屈折率分布構造に対して導入される線状の欠陥によって形成される欠陥導波路３ａ，３ｂが複数並列に配置されてなる光遅延回路１であって、欠陥導波路３ａ，３ｂは、欠陥導波路３ａ，３ｂ間の距離が近接して配置され、光の合分波を行う合分波部４ａ，４ｂと、合分波部４ａ，４ｂから分岐し、欠陥導波路３ａ，３ｂ中を伝送する光が互いに干渉しない欠陥導波路間の距離を有して配置される光遅延部と、を備え、複数の欠陥導波路３ａ，３ｂ間の構成を異ならせる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光通信や光情報処理に用いる光デバイスにおいて、フォトニック結晶を用いて、時間位相差を生じさせる光導波路を有する光遅延回路、この光遅延回路と受光器を組み合わせて光信号の感度を高める集積光素子、およびこの集積光素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光信号時分割多重伝送の伝送容量の増大化を図る方法として光遅延線を用いた光信号時分割多重伝送方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。図１９は、この光遅延線を用いた光信号時分割多重伝送系の構成の従来例を示す図である。送信側において、ｎチャネルの電気信号を電気・光変換回路１１１に同時並列に入力してｎチャネルの光信号が生成され、時分割多重における各チャネルのタイムスロットの時間幅に対応する基準遅延時間ずつ順次に遅延量が異なるｎ本の光遅延線群１１２および各光遅延線の出力光信号を合波する合波器１１３に同時並列に入力し、その合波出力として基準遅延時間ずつ遅延したｎチャネルの光信号からなる時系列光信号が光伝送路１０４に出力される。また、受信側において、光伝送路１０４から入力されるｎチャネルの時系列光信号を分波器１１５によってｎチャネルの光信号に分波し、ｎ本の光遅延線群１１６に分波したｎチャネルの光信号を同時並列に入力し、その出力光を光・電気変換回路１１７によってｎチャネルの電気信号に変換する。
【０００３】
この特許文献１に記載の光信号時分割多重伝送方法で用いられる光遅延線（１１２，１１６）は、ファイバを用いて構成されている。この従来の光遅延線（１１２，１１６）において、たとえば２つに分岐したファイバ間で４０Ｇｂｐｓの信号の送受信で１ｂｉｔ分の遅延Δｔ（＝２５ｐｓｅｃ）を生じさせるためには、Δｔ×ｃ／ｎ＝２５［ｐｓｅｃ］×３×１０8［ｍ／ｓｅｃ］／１．５≒５［ｍｍ］のファイバ長差をつける必要がある。
【０００４】
このような光遅延線は、マッハツェンダ干渉計を構成する際などにも用いられる。図２０は、差動位相変調（Differential Phase Shift Keying、以下、ＤＰＳＫという）受信デバイスの構造の従来例を模式的に示す図である。この図に示されるように、ＤＰＳＫ受信デバイス１５０は、２個の合分波器１３１とファイバ１３２で構成される１ビット遅延線からなるマッハツェンダ干渉計１３０と２個のフォトディテクタ１４１からなるフォトディテクタモジュール１４０とが外付けファイバ１５１を用いて接続された構成を有しており、時間遅延光回路を構成している（たとえば、非特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−５３９３６号公報
【非特許文献１】E. A. Swanson, et al., "High Sensitivity Optically Preamplified Direct Detection DPSK Receiver with Active Delay-Line Stabilization", IEEE Photonics Technology Letters, 1994, 6, p.263
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の従来の光遅延線を含む光遅延回路装置は、上述したように光遅延線をファイバで構成し、複数のファイバ間で長さに差を設けるように構成しなければならないので、装置構成が非常に大きくなり、取り扱いが面倒となるという問題点があった。また、この光遅延回路装置の温度安定化を図るためには、大容量の温度調節機構が必要となり、小さいデバイスへの組み込みが困難になってしまうという問題点もあった。
【０００７】
さらに、非特許文献１に記載のＤＰＳＫ受信デバイスは、フォトディテクタモジュールにマッハツェンダ干渉計と接続されるファイバが外付けされるために取り扱いが面倒となるという問題点があった。またこのＤＰＳＫ受信デバイスの温度安定化を図るためには、ＤＰＳＫ受信デバイス全体の温度調整を図る必要があり、上記特許文献１と同様にデバイスの小型化が困難になるという問題点もあった。さらに、デバイスとファイバとの組み合わせも高価になってしまうという問題点もあった。
【０００８】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、小型で、環境変動に対し安定で制御しやすい光遅延回路と、この遅延回路を用いた集積光素子を得ることを目的とする。また、この集積光素子に適した製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、この発明にかかる光遅延回路は、フォトニック結晶の周期的な屈折率分布構造に対して導入される線状の欠陥によって形成される欠陥導波路が複数並列に配置されてなる光遅延回路であって、前記欠陥導波路は、前記欠陥導波路間の距離が近接して配置され、光の合分波を行う合分波部と、前記合分波部から分岐し、前記欠陥導波路中を伝送する光が互いに干渉しない前記欠陥導波路間の距離を有して配置される光遅延部と、を備え、前記複数の欠陥導波路間の構成を異ならせることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、光遅延回路が、異なる幅を有する線状欠陥を並列に配置したフォトニック結晶によって構成され、その結果として小さいサイズで所望の光遅延を実現することが可能になるという効果を有する。また、小型であるので、環境変動に対し安定で制御しやすいという効果も有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光遅延回路および集積光素子の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、この発明にかかる光遅延回路の構成を模式的に示す斜視図である。この光遅延回路１は、図示しない基板上に形成した周期的な屈折率分布構造を有するフォトニック結晶構造に、前記周期的な屈折率分布構造に対する互いに幅の異なる線状の欠陥を複数導入することによって構成される。図１の例では周期的な屈折率分布構造として、空気穴２を形成している。後述するように、この線状欠陥がレーザ光の導波路３ａ，３ｂとなる。この導波路３ａ，３ｂは、周期的な屈折率分布構造に対する欠陥によって形成されるので、この明細書中で欠陥導波路ともいう。図１では、フォトニック結晶構造の光遅延回路１に、２本の欠陥導波路３ａ，３ｂが形成されており、一方の欠陥導波路３ａは、周期的な屈折率分布構造を直線状に崩したものであり、他方の欠陥導波路３ｂは、直線状の欠陥導波路３ａと所定の光路長差となるように幅を変えて周期的な屈折率分布構造を崩すとともに、直線状の欠陥導波路３ａの伸長方向にほぼ並行して配置される。これらの２本の欠陥導波路３ａ，３ｂには、外部から入力される光信号を分波するカプラ４が形成されている。なお、欠陥導波路３ａ，３ｂにおけるカプラ４間の幅を変えて並列に配置された部分が、特許請求の範囲における光遅延部に相当する。
【００１３】
ここでは、光遅延回路が、フォトニック結晶構造として２次元スラブフォトニック結晶構造（薄膜スラブ構造）を有する場合を例に挙げて説明する。２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光遅延回路１は、図示しない基板上に、コア層よりも屈折率の低い下クラッド層、コア層、コア層よりも屈折率の低い上クラッド層が順に積層して構成されるサブミクロンオーダの厚さのスラブ層５の２次元面内に、積層方向にスラブ層５を貫通するように周期的な屈折率分布構造を有して構成される。そして、この２次元周期構造に対する欠陥によって欠陥導波路３ａ，３ｂが形成されている。周期的な屈折率分布構造は、たとえば空気穴２を三角格子状に配置した三角格子周期穴構造などによって構成される。このようなスラブ層５は、化合物半導体材料によって形成することができる。
【００１４】
図２−１〜図２−５は、２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光遅延回路の製造方法の一例を示す図である。まず、図２−１に示されるように、基板６上に、下クラッド層５ｂ、コア層５ａおよび上クラッド層５ｃからなるスラブ層５の薄膜を有機金属化学気相成長装置（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）や分子線成長装置（Molecular Beam Epitaxy）などの結晶成長装置を用いてエピタキシャル成長させて形成する。
【００１５】
ついで、図２−２に示されるように、上記の工程で基板６上にエピタキシャル成長して形成された上クラッド層５ｃ上に、有機材料からなる電子ビーム（Electron Beam（以下、ＥＢという））露光用レジスト７を塗布する。その後、図２−３に示されるように、ＥＢ露光機によって、線状欠陥構造も含めた２次元周期的空気穴構造形成用のパターンを描画し、２次元周期的空気穴構造を形成する領域以外のＥＢ露光用レジスト７を残して、２次元周期的空気穴構造を形成する領域のＥＢ露光用レジスト７を除去する。
【００１６】
つぎに、図２−４に示されるように、反応性イオンエッチング装置（Reactive Ion Etching）や誘導プラズマエッチング装置（Induced Coupled Plasma Etching）などのエッチング装置によって、上記パターンにしたがって、上クラッド層５ｃから下クラッド層５ｂを貫き、基板６の上層部まで届くようにエッチング加工して、空気穴構造を形成する。その後、エッチングを行わなかった領域に塗布されているＥＢ露光用レジスト７を除去する。
【００１７】
そして、図２−５に示されるように、ウエットエッチングによって、２次元周期的空気穴構造の下部の基板６部分のみを選択的に除去することによって、２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光遅延回路１ａが得られる。このとき、基板６は内部が空洞の状態となっており、シート状のスラブ層５の周縁部が基板６によって支持される構造となっている。そのために、図１では基板部分を省略して図示している。このような構造によって、スラブ層の上下両面が空気と接触し、スラブ層を構成する化合物半導体材料と空気との屈折率差によって光の閉じ込めが可能となる。
【００１８】
ここで、この発明による光遅延の原理について説明する。図３は、２次元スラブフォトニック結晶構造における欠陥導波路の規格化したバンド構造を示す図である。横軸は規格化波数ベクトルを示し、縦軸は光の規格化周波数を示している。このバンド構造図において、白抜きの三角で示される記号を結んで構成される曲線Ｌ０は、三角格子周期穴構造によるモードを示している。このバンド構造図の上部と下部に存在する曲線Ｌ０の間にはモードが存在しないため、光の禁制帯（Photonic Band Gap、以下、フォトニックバンドギャップという）として光が存在し得ない周波数帯域となる。このとき、三角格子周期穴構造をスラブ層５内に形成した２次元スラブフォトニック結晶において、空気穴構造を１列取り除く（周期的な空気穴構造を直線状に崩す）ことによって欠陥導波路３ａを形成すると、黒丸で示される記号を結んで構成される曲線Ｌ１のように導波モードが生じる。この曲線Ｌ１は、規格化波数ベクトルｋｙが０．１５〜０．３２５の範囲では、その傾きｄω／ｄｋはほぼ０．２４となっている（ただし、ｄω／ｄｋの値は、光速度ｃで規格化されている）。バンド構造図では、導波モードを示す曲線の傾きがその光の群速度を表すため、上記規格化波数ベクトルｋｙの範囲における群速度は約０．２４となる。
【００１９】
一方、欠陥導波路３ａ外の三角格子周期穴構造とその格子周期ａを所定の値のままとして、欠陥導波路幅のみを変化させることで、導波モードを変化させることができる。たとえば、三角格子周期がａであるので、上記曲線Ｌ１の場合の線欠陥導波路幅（欠陥導波路３ａの幅）は３1/2・ａであるが、この線欠陥導波路幅（欠陥導波路３ｂの幅）を１．５１ａに変化させた場合には、その導波モードは、白抜きの四角で示される記号を結んで構成される曲線Ｌ２に示されるものとなる。ここで、規格化周波数０．２８６〜０．２９６の帯域に注目すると曲線Ｌ２によって示される導波モードの群速度（ｄω／ｄｋ）は、約０．１２となっており、曲線Ｌ１によって示される導波モードの群速度０．２４と比較してかなり遅い値となっている。
【００２０】
なお、上述した説明では、図４に示されるように、光遅延回路の三角格子周期穴構造が形成される面内において、直線状の欠陥導波路３の伸長方向をｙ方向とし、このｙ方向に垂直な方向をｘ方向としている。また、線欠陥導波路幅は、欠陥導波路３の両側に近接してｘ方向に形成される空気穴２の中心間距離として定義している。さらに、図１において、曲げを有する欠陥導波路３ｂの幅が場所によって異なっているが、この場合の線欠陥導波路幅とは、欠陥中で最も狭い値を有する部分のことをいう。つまり、図１の欠陥導波路３ｂの導波路幅は領域Ｒ１の導波路幅ｄ１のことをいう。これは、幅の狭い導波路で存在することができる光は、その幅よりも広い導波路でも存在することができるが、逆に、幅の広い導波路で存在することができる光のうちの一部の光は、その幅よりも狭い導波路で存在することができない場合が存在するからである。
【００２１】
以上で説明したように、２本の線欠陥導波路幅をわずかに異ならせることによって、２本の欠陥導波路３ａ，３ｂ間で、光信号の速度を変えることが可能となる。すなわち、欠陥導波路幅の異なる欠陥導波路３ａ，３ｂを並列に形成することで、それぞれの欠陥導波路３ａ，３ｂを伝送する光信号の群速度を変えることができる。その結果、フォトニック結晶を用いることによって光遅延線を構築することができる。
【００２２】
つぎに、光遅延回路の動作について説明する。この光遅延回路１の端部Ａには、たとえば時分割多重化された光信号を伝送する光ファイバなどの結合光学系と接続されており、その光ファイバからの光信号が欠陥導波路３ａまたは欠陥導波路３ｂに入力されると、光信号はカプラ４で分波される。分波された光信号は、それぞれ対応する欠陥導波路３ａ，３ｂに入力される。欠陥導波路３ａ，３ｂ内では、上述したようにそれぞれの欠陥導波路幅によって定まる群速度で光信号は伝播する。たとえば、時分割多重された光信号を多重分離する場合には、各光信号のタイムスロットの時間幅に対応する時間だけ遅延量を異ならせるように、具体的には複数の光信号間での遅延量がなくなるように欠陥導波路幅を変化させて、光遅延回路１の他の端部Ｂ側の欠陥導波路３ａ，３ｂからは、設定された遅延量を持った光信号が出力される。なお、上述した説明では、時分割多重された光を分波する場合であるが、入力される光信号を時分割多重する場合には、各光信号間でのタイムスロットの時間幅に対応する時間だけ遅延が生じるように欠陥導波路３ａ，３ｂの幅を設定して、それぞれの光信号を光遅延回路１の端部Ｂから入力することで、時分割多重された光信号が光遅延回路１の端部Ａから出力される。
【００２３】
ここで、具体的な数値を挙げて光遅延回路の構造について説明する。図１に示される２次元スラブフォトニック結晶の三角格子周期ａを０．４５３μｍとすると、上記規格化周波数が０．２８６〜０．２９６の帯域は波長１．５３０〜１．５８４μｍに相当するので、光通信におけるＣ帯と一致する。つまり、光通信におけるＣ帯で一律にこの光遅延線を適用することが可能となる。たとえば、２つに分岐した４０Ｇｂｐｓの光信号において１ｂｉｔの遅延（すなわち２５ｐｓｅｃの時間遅れ）が生じるように設計するためには、導波モードＬ１，Ｌ２に対応した２つの線欠陥導波路間の時間差を利用すると、（ν1.73a−ν1.51a）×ｃ×２５［ｐｓｅｃ］≒０．９［ｍｍ］の長さで並列に形成した線欠陥導波路により実現することができる。この発明による光遅延回路は、特許文献１に示される従来のファイバを用いた光遅延線の場合と比較すると約１／５の長さにすることができる。また、４０Ｇｂｐｓを超える高速信号の場合にはより単尺化することができる。
【００２４】
光遅延回路としてこの１ｂｉｔ遅延フォトニック結晶導波路を、マッハツェンダ干渉計の各導波路とすることによって、１ｂｉｔ光遅延機能マッハツェンダ干渉計を備えたフォトニック結晶スラブ導波路回路を作成することができる。
【００２５】
また、この１ｂｉｔ光遅延機能マッハツェンダ干渉計に、２連のフォトディテクタを有する光検出部を組み合わせることで、ＤＰＳＫ受信デバイスである集積光素子をコンパクトに構築することができる。この集積光素子の構成については、実施の形態１２以降で説明する。
【００２６】
この実施の形態１によれば、光遅延回路を、異なる幅を有する線状欠陥を並列に配置したフォトニック結晶によって構成するようにしたので、小さいサイズで所望の光遅延を実現することが可能となる。また、光遅延回路１は小型であるので、取り扱いが容易であり、温度安定化を容易に図ることができるという効果も有する。
【００２７】
実施の形態２．
実施の形態１の図１では、フォトニック結晶構造として２次元スラブフォトニック結晶構造を有する場合を例に挙げて説明した。上述したように、光遅延回路１は、基板上に作製されるが、薄膜のスラブ層５の面内に２次元の周期的な空気穴構造を形成した後に、その空気穴２から基板を除去するために２次元スラブフォトニック結晶構造を有する基板を溶液中に浸して、スラブ層５下部の基板を除去する処理が行われる。その結果、光遅延回路１において、基板の周縁部を除く中央付近は除去されて空洞状態となり、薄膜の周縁部のみが基板で支持された構造となっている。
【００２８】
このようなシート状の構造のみでは、衝撃などに対して弱くなる。そこで、スラブ層５の上下をポリマーなどのスラブ層５に比較して屈折率の低い誘電体層で挟むような構造としてもよい。図５は、この発明にかかる光遅延回路の実施の形態２の構成を模式的に示す断面図である。この図に示されるように、光遅延回路１ａは、実施の形態１の光遅延回路１において、スラブ層５下部の基板６が除去された空洞部とスラブ層５の上部にそれぞれ誘電体層７ａ，７ｂが形成されることを特徴とする。
【００２９】
たとえば、誘電体層７ａ，７ｂとしてポリマーを用いてスラブ層５の上下をポリマーで挟む場合には、スラブ層５の下部には、基板６の側壁に開けた図示しない穴または空気穴２に液状のポリマーを流し込み、スラブ層５上にはスピンコートによってポリマーを塗布後に熱処理する方法によって、誘電体層７ａ，７ｂを形成することができる。このような構成により、シート状の光遅延回路１ａの機械強度を上げることができる。また、誘電体層７ａ，７ｂの屈折率はスラブ層５に比して低いので、スラブ層５内を伝播する光の屈折率閉じ込めを行なうことができる。
【００３０】
この実施の形態２によれば、２次元スラブフォトニック結晶構造において、スラブ層５の上下にポリマーなどの誘電体層７ａ，７ｂで挟む構造としたので、機械強度の十分に強い光遅延回路１ａを構成することができ、その結果、外部からの衝撃に強い光遅延回路１ａが得られる。特に、２次元スラブフォトニック結晶が化合物半導体で形成され、誘電体層７ａ，７ｂをポリマーとする場合には、化合物半導体とポリマーという屈折率差の大きい構造でスラブ層５の上下方向の光の閉じ込めを強めて、光の漏れの少ない構造とすることができる。
【００３１】
実施の形態３．
上述した実施の形態１，２では、光遅延回路が２次元スラブフォトニック結晶構造、すなわちサブミクロンオーダの厚さを有する構造の場合を例に挙げて説明した。たとえば、実施の形態１では、サブミクロンオーダの厚さのスラブ層５の上下を空気層として、化合物半導体材料からなるスラブ層５と空気層との屈折率差で、スラブ層５内を導波する光の閉じ込めを行なっていた。しかし、スラブ層５を厚くしてスラブ層５自身で光の閉じ込めを行うようにしてもよい。
【００３２】
図６は、この発明にかかる光遅延回路の実施の形態３の構成を模式的に示す断面図である。この図に示されるように、この光遅延回路１ｂは、基板６上にコア層５ａよりも屈折率の低い下クラッド層５ｂ、レーザ光を発生して伝播させるコア層５ａおよびコア層５ａよりも屈折率の低い上クラッド層５ｃが積層して構成され、積層方向に上クラッド層５ｃから下クラッド層５ｂまでを貫通するように空気穴２が２次元面内に周期的に形成される。そして、この周期的な空気穴構造に対して線状の欠陥を導入して、欠陥導波路３ａ，３ｂを形成している。ここで、下クラッド層５ｂから上クラッド層５ｃまでの厚さは数ミクロンから数十ミクロンの厚さを有するように形成される点が実施の形態１のものとは異なる。すなわち、この実施の形態３における光遅延回路１ｂでは、コア層５ａで発生した光の上下方向の閉じ込めを、コア層５ａよりも屈折率が低い上下クラッド層５ｂ，５ｃによって行い、欠陥導波路３ａ，３ｂ中をレーザ光が伝播するようにしている。また、上下クラッド層５ｂ，５ｃによって光の閉じ込めを行なうので、周期的な空気穴構造が形成される下クラッド層５ｂの下部の基板部分を除去する必要がない。なお、光遅延回路１ｂの上面の形態は実施の形態１の図１と同様であるので、その図示を省略している。
【００３３】
コア層５ａと上下クラッド層５ｂ，５ｃは、たとえば化合物半導体材料によって形成することができる。化合物半導体材料としてＩｎ(1-x)Ｇａ(x)Ａｓ(y)Ｐ(1-y)を用いる場合には、ｘとｙを０〜１で変化させると屈折率も１〜２割程度変化させることができるので、適当なｘ，ｙを設定することで、コア層５の屈折率よりも低くなるようなコア層５の組成とわずかに異なる組成の上下クラッド層５ｂ，５ｃを得ることが可能となる。
【００３４】
この構成によれば、上下クラッド層５ｂ，５ｃも化合物半導体で形成し、化合物の組成比を適当に設定することで、コア層５ａと上下クラッド層５ｂ，５ｃの比屈折率差Δが小さいながらも、屈折率による光の閉じ込めができる。また、このような組成の化合物半導体は結晶構造も同様であるので、薄膜作製が容易となる。さらに、下クラッド層５ｂの下部の基板部分を除去する必要がない。
【００３５】
この実施の形態３によれば、コア層５ａと上下クラッド層５ｂ，５ｃとを、組成のわずかに異なる結晶構造の類似する化合物半導体で作製するようにしたので、光遅延回路１ｂの薄膜作製工程の簡素化を図ることができる。
【００３６】
実施の形態４．
フォトニック結晶導波路部の設計として、相対的に幅の広いフォトニック結晶導波路と幅の狭いフォトニック結晶導波路の群速度差を光遅延に用いるが、上述した実施の形態では、群速度の速い（基準となる）フォトニック結晶の欠陥導波路幅を２次元周期的空気穴構造において、単に１列の空気穴構造を取り除いた３1/2・ａとした。しかし、欠陥導波路幅はこの値に限られることなく、たとえば、さらにこの値を大きくして、両欠陥導波路幅を広げることも可能である。欠陥導波路幅を広げることによって、外部のファイバなどの光伝送路との接続も容易となる。
【００３７】
この実施の形態４によれば、フォトニック結晶に形成する欠陥導波路幅を任意に設定するようにしたので、たとえば、欠陥導波路幅を広げた場合には、導波路伝播損失を低減し、また外部の結合光学系から導波路への入射光効率の高い光遅延回路を形成することができる。
【００３８】
実施の形態５．
上述した実施の形態では、光遅延回路に、相対的に幅の広い欠陥導波路と幅の狭い欠陥導波路を設計して光遅延回路を実現していた。しかし、各欠陥導波路の幅を異ならせる代わりに、フォトニック結晶構造を構成する２次元の周期的空気穴構造の格子周期をわずかに異ならせることによっても、複数の欠陥導波路を伝送する光信号の群速度の間に遅延を生じさせることができる。
【００３９】
図７は、光遅延回路の実施の形態５の構成の一例を示す一部平面図である。この図に示されるように、光遅延回路１の２次元周期的空気穴構造における格子周期をわずかに変えた領域Ｒ３，Ｒ４がスラブ層の平面内に形成されている。すなわち、欠陥導波路３ｂが欠陥導波路３ａから最も離れる位置の周囲における領域をＲ４とし、その他の領域をＲ３とすると、領域Ｒ４の格子周期ａ４を領域Ｒ３の格子周期ａ３と異ならせるようにしている。この例では、領域Ｒ３の格子周期ａ３を０．４２μｍとし、領域Ｒ２の格子周期ａ４を０．４４μｍとしている。
【００４０】
図８は、図７に示される２次元周期的空気穴構造を有する光遅延回路において、格子周期をわずかに異ならせた場合のバンド構造図である。横軸は規格化波数ベクトルを示し、縦軸は光の波長を示している。また、白抜きの四角の記号を結んで得られる曲線Ｌ３が格子周期ａ３＝０．４２μｍの導波モードを示しており、黒丸の記号を結んで得られる曲線Ｌ４が格子周期ａ４＝０．４４μｍの導波モードを示している。
【００４１】
この図８に示されるように、縦軸の波長の値が１．５１〜１．５５μｍの帯域を参照すると、格子周期ａ≒０．４４μｍの２次元スラブフォトニック結晶では、群速度（すなわち曲線Ｌ４の傾き）はｄω／ｄｋ≒０．２４であり、格子周期ａ≒０．４２μｍの２次元スラブフォトニック結晶では、群速度（すなわち曲線Ｌ３の傾き）はｄω／ｄｋ≒０．１３となっている。つまり、格子周期を変えて形成したそれぞれの導波路には、異なる群速度の光信号が伝播することになり、実施の形態１〜４で説明した、導波路幅を変化させた場合と同様の結果を得ることができる。
【００４２】
この実施の形態５によれば、光遅延回路を、格子周期の異なる複数の領域を配置した２次元スラブフォトニック結晶を用いて構成するようにしたので、小さいサイズで所望の光遅延を実現することが可能となる。
【００４３】
実施の形態６．
上述した実施の形態１〜４では、光遅延回路に、相対的に幅の広い欠陥導波路と幅の狭い欠陥導波路を設計して光遅延回路を実現していた。しかし、各欠陥導波路の幅を異ならせる代わりに、フォトニック結晶構造を構成する２次元の周期的空気穴構造の格子穴の半径をわずかに異ならせることによっても、複数の欠陥導波路を伝送する光信号の群速度の間に遅延を生じさせることができる。
【００４４】
図９は、光遅延回路の実施の形態６の構成の一例を示す平面図である。この図に示されるように、光遅延回路１の２次元周期的空気穴構造における格子穴半径をわずかに変えた領域Ｒ５，Ｒ６がスラブ層５の平面内に形成されている。すなわち、欠陥導波路３ｂが欠陥導波路３ａから最も離れる位置の周囲における領域をＲ６とし、その他の領域をＲ５とすると、領域Ｒ６の格子穴半径ｒ６を領域Ｒ５の格子穴半径ｒ５と異ならせるようにしている。この例では、領域Ｒ５の格子穴半径ｒ５を０．３１ａとし、領域Ｒ６の格子穴半径ｒ６を０．２７ａとしている。
【００４５】
図１０は、図９に示される２次元周期的空気穴構造を有する光遅延回路において、格子穴半径をわずかに異ならせた場合のバンド構造図である。横軸は規格化波数ベクトルを示し、縦軸は光の規格化周波数を示している。また、白抜きの三角の記号を結んで得られる曲線Ｌ５が格子穴半径ｒ５＝０．３１ａの導波モードを示しており、白抜きの四角の記号を結んで得られる曲線Ｌ６が格子半径ｒ６＝０．２７ａの導波モードを示している。
【００４６】
この図１０に示されるように、縦軸の規格化周波数の値が０．２８〜０．２９の範囲（格子周期ａ＝０．４４μｍの場合に、波長１．５３〜１．５７μｍに相当する）を参照すると、格子穴半径ｒ６＝０．２７ａの２次元スラブフォトニック結晶の領域Ｒ６では、群速度（すなわち曲線Ｌ６の傾き）はｄω／ｄｋ≒０．２２であり、格子穴半径ｒ５＝０．３１ａの２次元スラブフォトニック結晶の領域Ｒ５では、群速度（すなわち曲線Ｌ５の傾き）はｄω／ｄｋ≒０．１６となっている。つまり、格子穴半径を変えて形成したそれぞれの導波路には、異なる群速度の光信号が伝播することになり、実施の形態１〜４で説明した、導波路幅を変化させた場合と同様の結果を得ることができる。
【００４７】
この実施の形態６によれば、光遅延回路を、格子穴半径の異なる複数の領域を配置した２次元スラブフォトニック結晶を用いて構成するようにしたので、小さいサイズで所望の光遅延を実現することが可能となる。
【００４８】
実施の形態７．
上述した実施の形態１〜４では、光遅延回路に、相対的に幅の広い欠陥導波路と幅の狭い欠陥導波路を設計して光遅延回路を実現していた。しかし、各欠陥導波路の幅を異ならせる代わりに、フォトニック結晶構造を構成する化合物組成をわずかに異ならせることによっても、複数の欠陥導波路を伝送する光信号の群速度の間に遅延を生じさせることができる。
【００４９】
たとえば、フォトニック結晶構造を構成する半導体材料としてＩｎＧａＡｓＰを用いる場合、Ｉｎ(1-x)Ｇａ(x)Ａｓ(y)Ｐ(1-y)の組成において、上述したようにｘとｙを０〜１の間で変化させることによって、屈折率を１〜２割程度変化させることができる。また、フォトニック結晶構造を有する半導体材料としてＧａＡｓを用いる場合には、ＡｌＧａＡｓなどとの類似の組成および構造を有する材料との間で組成比を変化させることによって、屈折率を同様に変化させることができる。したがって、このような材料を用いて、欠陥導波路部分やクラッド部分、２次元周期的空気穴構造部分における組成を変化させることで、フォトニック結晶構造における屈折率を変化させることができる。たとえば、欠陥導波路部分の組成と、２次元周期的空気穴構造部分の組成とを変えることによって、フォトニック結晶構造における屈折率を変化させることができる。
【００５０】
図１１は、フォトニック結晶構造を有する光遅延回路において、導波路部分の組成を変化させて２つの導波路における屈折率を変化させた場合のバンド構造図である。横軸は規格化波数ベクトルを示し、縦軸は光の規格化周波数を示している。また、白抜きの三角の記号を結んで得られる曲線Ｌ７が屈折率ｎ＝３．４０の導波モードを示しており、黒の四角の記号を結んで得られる曲線Ｌ８が屈折率ｎ＝３．２８の導波モードを示している。
【００５１】
この図１１に示されるように、縦軸の規格化周波数の値が０．２７４〜０．２８０の帯域（格子周期ａ＝０．４２８μｍの場合に、波長１．５３〜１．５６μｍに相当する）を参照すると、屈折率ｎ＝３．４０の導波路では、群速度（すなわち曲線Ｌ７の傾き）はｄω／ｄｋ≒０．２１であり、屈折率ｎ＝３．２８の導波路では、群速度（すなわち曲線Ｌ８の傾き）はｄω／ｄｋ≒０．１２となっている。つまり、屈折率を変えて形成したそれぞれの導波路には、異なる群速度の光信号が伝播することになり、実施の形態１〜４で説明した、導波路幅を変化させた場合と同様の結果を得ることができる。
【００５２】
この実施の形態７によれば、光遅延回路を、導波路を構成する化合物組成を異ならせて、導波路における屈折率を異ならせたフォトニック結晶を用いて構成するようにしたので、小さいサイズで所望の光遅延を実現することが可能となる。
【００５３】
実施の形態８．
上述した実施の形態１〜４では、光遅延回路に、相対的に幅の広い欠陥導波路と幅の狭い欠陥導波路を設計して光遅延回路を実現していた。しかし、各欠陥導波路の幅を異ならせる代わりに、欠陥導波路の近傍または途中に点欠陥を挿入することによっても、複数の欠陥導波路を伝送する光信号の群速度の間に遅延を生じさせることができる。
【００５４】
図１２は、光遅延回路の実施の形態８の構成の一例を示す斜視図である。この図では、２本の直線状の欠陥導波路３ａ，３ｂのうち一本の欠陥導波路３ｂの伸長方向中央部付近に、空気穴構造が楕円状に変形された点欠陥３ｃが形成された光遅延回路を例示している。点欠陥３ｃは共振モードを有し、欠陥導波路３ｂを伝送する光は点欠陥３ｃにトラップされ、所定の時間経過した後に再び欠陥導波路３ｂに放出される。これにより、欠陥導波路３ｂを伝送する光は点欠陥３ｃにトラップされる時間だけ遅延が生じることになる。空気穴径を大きくした形のアクセプタ欠陥では、そのＱ値（一般に共振器では、Ｑ≡−ω・Ｅ／（ｄＥ／ｄｔ）＝ω・τで定義される。ただし、ωは角周波数、Ｅは共振器に蓄積されたエネルギ、τは共振寿命を表す。）は、５００程度の値を実現でき、また逆に空気穴を埋める形のドナー欠陥ではＱ値が５０，０００を超える値を実現することができる。これにより、前者の場合でτ〜０．４ｐｓｅｃ、後者の場合で４０ｐｓｅｃ程度の遅延が可能となる。なお、図１２では、点欠陥３ｃが楕円状の空気穴である場合を示したが、これに限られるものではなく、点欠陥３ｃであれば空気穴を小さくしたものや大きくしたものなどであってもよい。
【００５５】
この実施の形態８によれば、直線状の欠陥導波路の近傍またはその途中に点欠陥を形成した光遅延回路を構成するようにしたので、小さいサイズで所望の光遅延を実現することが可能となる。
【００５６】
実施の形態９．
図１３は、光遅延回路の実施の形態９の構成の一例を示す斜視図である。上述した実施の形態において、２本の欠陥導波路間の距離については規定していなかったが、この実施の形態９では、欠陥導波路（幅はサブμｍサイズ）への外部からの入射部（端部Ａの欠陥導波路形成領域）において、２本の欠陥導波路３ａ，３ｂ間の距離を近接して（距離はサブμｍサイズ）並列に配置させるようにしている。このような構成によれば、外部からの１つの結合光学系を２つの欠陥導波路に一括結合させることができる。すなわち、１つの結合光学系からの光を同時に２つの欠陥導波路３ａ，３ｂに入射させることが可能となる。これにより、ファイバに比べて幅の狭い欠陥導波路への光の結合効率が、１つの欠陥導波路ごとに入射させる場合の値に比べて全体で高い値を実現することができる。
【００５７】
この実施の形態９によれば、２本の欠陥導波路の距離を近接して並列に配置させた光遅延回路を構成したので、この光遅延回路に光を入射する結合光学系を１つにして結合することができるという効果を有する。また、一導波路に結合させてから分岐する場合に比して光の結合効率を向上することができる。これにより、サイズの小さな光遅延回路を有する光機能素子を実現することが可能となる。
【００５８】
実施の形態１０．
図１４は、光遅延回路の実施の形態１０の構成の一例を示す斜視図である。この図に示されるように、フォトニック結晶中に形成する幅の異なる線状の２本の欠陥導波路を、平行な直線状の欠陥導波路とすることを特徴とする。つまり、実施の形態１の図１では、一方の欠陥導波路の分岐部分を曲げて構成していたが、この実施の形態１０ではフォトニック結晶中の欠陥導波路３ａ，３ｂは曲げ分岐せずに、平行な欠陥導波路のままとしている。このような構造では、方向性結合器の原理によって伝播長Ｌｄに応じた光の分岐、合波、再分岐を行なうことが可能となる。つまり、２本の平行に形成された欠陥導波路３ａ，３ｂの長さを適当な値に設定することによって、２本の欠陥導波路３ａ，３ｂ中を伝播する光信号の間に、所望の遅延を生じさせることができる。
【００５９】
この実施の形態１０によれば、フォトニック結晶中に複数の互いに平行な幅の異なる直線状の欠陥導波路を形成するように構成したので、欠陥導波路を曲げることによる曲げロスを低減することができるとともに、方向性結合器の原理による光の合分波を行うことができる。また、コンパクトに光遅延回路を構成することができる。
【００６０】
実施の形態１１．
上述した実施の形態では、０次モードの光を利用していた。しかし、０次モードの光だけでなく、高次（１次）モードの光を併用することで、群速度の遅い特性を利用でき、光遅延回路を構成することも可能である。
【００６１】
図１５は、０次と１次の導波モードをフォトニックバンドギャップに挿入したバンド構造図である。この図において、横軸は規格化波数ベクトルを示し、縦軸は光の規格化周波数を示している。また、黒丸の記号を結んで得られる曲線Ｌ９が０次の導波モードを示しており、白抜きの四角の記号を結んで得られる曲線Ｌ１０が１次の導波モードを示している。
【００６２】
この図１５に示されるように、縦軸の規格化周波数の値が０．３０２〜０．３０６の帯域（格子周期ａ＝０．４６９μｍの場合に、波長１．５３〜１．５５μｍに相当する）を参照すると、１次の導波モードでは、群速度（すなわち曲線Ｌ１０の傾き）はｄω／ｄｋ〜０．０９であり、０次の導波モードでは、群速度（すなわち曲線Ｌ９の傾き）はｄω／ｄｋ〜０．２３となっている。つまり、複数の異なる導波モードを用いることによってそれぞれの欠陥導波路には、異なる群速度の光信号が伝播することになり、実施の形態１〜４で説明した、導波路幅を変化させた場合と同様の結果を得ることができる。なお、０次や１次の導波モードは、所望の導波モードが欠陥導波路中に伝播するように導波路幅や導波路の構造を適宜変えることによってその利用を実現することができる。
【００６３】
この実施の形態１１によれば、光遅延回路の欠陥導波路に導波モードの異なる光信号を伝送させるようにしたので、小さいサイズで所望の光遅延を実現することが可能となる。また、広帯域で群速度の遅い特性を利用することが可能になる。
【００６４】
なお、欠陥導波路を単一仕様ではなく、上述した実施の形態１〜１１で説明した異なる種類（格子周期、欠陥導波路幅、空気穴径、化合物組成など）を組み合わせることで、広帯域で群速度の遅い特性を利用可能となり、フォトニック結晶構造を用いた光遅延回路を構成することが可能となる。また、実施の形態４〜１１において、実施の形態２で説明したようにフォトニック結晶構造のスラブ層５の上下をポリマーなどのスラブ層５よりも屈折率の低い誘電体材料で挟む構造としてもよい。
【００６５】
実施の形態１２．
上述した実施の形態１〜１１では光遅延回路の構成を説明したが、以下ではこれらの光遅延回路を用いた集積光素子の実施の形態について説明する。たとえば、実施の形態１で説明した光遅延回路１において、１つの光信号を分波して２つの欠陥導波路間で１ｂｉｔの遅延を生じさせた後に干渉させるように構成し、それぞれの欠陥導波路に２連のフォトディテクタを有する光検出部を組み合わせることで、集積光素子としてのＤＰＳＫ受信デバイスを構築することができる。
【００６６】
図１６は、光遅延回路を用いた集積光素子（ＤＰＳＫ受信デバイス）の構造を模式的に示す斜視図である。図１６に示されるように、集積光素子１０は、光信号を分波して所定量の遅延を生じさせた後に干渉させる遅延干渉部１１と、遅延干渉部１１から出力される干渉波を検出する光検出部２１と、を備えて構成される。
【００６７】
遅延干渉部１１は、線状の欠陥が導入された欠陥導波路３ａ，３ｂを有するフォトニック結晶によって構成される。図１６に示されるように、欠陥導波路のうち１本は周期的な空気穴構造のうちの１列を崩した直線状の欠陥導波路３ａであり、もう１本は直線状の欠陥導波路３ａを伝播する光に比して１ｂｉｔの遅延が生じるように、欠陥導波路３ａの伸長方向にほぼ並行して、周期的な空気穴構造を崩して形成した欠陥導波路３ｂである。このような構造の遅延干渉部１１に、外部から入射した光信号を分波する第１のカプラ４ａ、分波した光信号間に１ｂｉｔの遅延を生じさせる光遅延部１２、遅延が生じた光信号を合波して干渉波とするとともに生じた干渉波を分離する第２のカプラ４ｂが形成される。ここで、第１のカプラ４ａと光遅延部１２は、上述した実施の形態１〜１１で説明したフォトニック結晶によって構成される光遅延回路に相当する。図１６には、実施の形態１で説明した幅の異なる２本の欠陥導波路３ａ，３ｂを有する場合が示されているので、第１のカプラ４ａで分波された光信号の間に１ｂｉｔの遅延が生じるように欠陥導波路３ａ，３ｂの幅が調整される。
【００６８】
光検出部２１は、遅延干渉部１１の欠陥導波路３ａ，３ｂの一方の端部の延長上に配置され、前記遅延干渉部１１の欠陥導波路３ａ，３ｂと接続される２連の導波路と、この導波路に設けられるフォトディテクタと、を有する導波路型フォトディテクタ２２を備えて構成される。導波路はたとえば従来公知の埋め込み型導波路としている。なお、フォトディテクタは、導波路から入力される光信号を検知できるように、導波路に接してｐｎ接合部分を設ける必要がある。通常、導波路とフォトディテクタは一体形成して、図１６に示されるように埋め込み型構造の導波路型フォトディテクタ２２とすることで、製造プロセスの簡略化を図ることができる。この場合には、導波路部分にもｐｎ接合が形成されている。
【００６９】
このような構成の集積光素子によれば、まず、遅延干渉部１１に光信号が入力されると、光信号が第１のカプラ４ａで２つの光信号に分波され、欠陥導波路３ａ，３ｂの光遅延部１２を導波中に分波された光信号間に１ｂｉｔ分の遅延が生じる。その後、２つの光信号が再び第２のカプラ４ｂで合波され、その時に生じる２つの干渉波が２つの欠陥導波路３ａ，３ｂに分波されて、遅延干渉部１１から出力される。光検出部２１の２つの導波路型フォトディテクタ２２には、それぞれの欠陥導波路３ａ，３ｂからの干渉波が入力され、電気信号に変換される。この時、１つの光信号を２つの実質的に同じ内容の干渉波で検出するので、遅延干渉部１１に入力された光信号を、感度を上げて受信することが可能となる。
【００７０】
なお、基板上に形成される埋め込み型の導波路型フォトディテクタ２２は公知であるので、その詳細な構造の説明を省略する。また、フォトディテクタにおけるｐｎ接合の境界に真性半導体層または非導電層を形成して、ｐ−ｉ−ｎ接合としてもよい。このようにｐ−ｉ−ｎ接合を形成することでフォトディテクタの接合容量を減らし、信号応答速度を速めることができる。
【００７１】
また、図１６では、集積光素子の遅延干渉部１１が実施の形態１に示される構成を有する場合を例に挙げて説明したが、実施の形態１〜１１に示される光遅延回路であれば、この集積光素子に適用することができる。さらに、図１６では、光検出部２１のフォトディテクタは埋め込み型の構成を有していたが、図１７に示されるように、リッジ型の導波路型フォトディテクタ２３としてもよい。
【００７２】
この実施の形態１２によれば、光遅延部１２を有する遅延干渉部１１を小さく構成することができるので、この遅延干渉部１１と光検出部２１を備える集積光素子１０もコンパクトに構築することが可能となる。
【００７３】
実施の形態１３．
実施の形態１２に示される集積光素子において、遅延干渉部１１と、複数のフォトディテクタを有する光検出部２１とを一括形成することで、集積光素子１０を一体にそしてコンパクトに構築することができる。これは集積光素子１０において、遅延干渉部１１と光検出部２１とは同じ半導体材料で構成することができるので、同一基板上に遅延干渉部１１と光検出部２１とを一体形成することも可能となる。たとえば、図１に示されるように２次元フォトニック結晶スラブ構造を有する遅延干渉部１１も、埋め込み型またはリッジ型導波路構造を有する光検出部２１もともに、基板上に下クラッド層、コア層、上クラッド層を積層してなる構造を有するので、遅延干渉部１１の欠陥導波路３ａ，３ｂの延長上に光検出部２１の導波路構造を形成することで、両者の導波路部分の接合を精度よく行うことができる。このとき、埋め込み型またはリッジ型導波路のもう一方の端部にフォトディテクタが形成される。
【００７４】
ここで、集積光素子１０を一体形成する場合の製造方法の一例を説明する。ここでは、基板としてＩｎＰを用い、光遅延回路１と光検出部２１を構成する材料としてＩｎＧａＡｓＰを用いる場合を例に挙げる。図１８−１〜図１８−７は、集積光素子の製造方法を模式的に示す断面図である。これらの図において、遅延干渉部１１と光検出部２１とを横切る方向の断面を示している。
【００７５】
最初に、図１８−１に示されるＩｎＰの基板６の光検出部を形成する領域（以下、光検出部形成領域という）ＲPDとなる部分をエッチングして、基板断面に段差を設ける（図１８−２）。ついで、ＩｎＰの基板６の上側の面に、上述した工程で設けた段差がなくなるまでＩｎＧａＡｓＰの薄膜６ａを成長させた後、エッチングしていない箇所、すなわち遅延干渉部１１が形成される領域（以下、遅延干渉部形成領域という）ＲPCの基板表面が現れるまで薄膜表面を削り取り（図１８−３）、基板６の表面を平坦化させる。なお、段差を設けた光検出部形成領域ＲPDにＩｎＧａＡｓＰの薄膜６ａを成長させた際に、光検出部形成領域ＲPDと遅延干渉部形成領域ＲPCの表面がほぼ平坦となっている場合には、遅延干渉部形成領域ＲPCの基板表面が現れるまで薄膜表面を削り取る必要はない。
【００７６】
つぎに、基板６の表面全体にＩｎＧａＡｓＰ薄膜によって下クラッド層５ｂ、コア層５ａ、遅延干渉部形成領域ＲPCに形成するスラブ層５の上クラッド層５ｃとなる材料やエッチングストップ層、光検出部２１の導波路２２の形成に使用される上クラッド層などを含む上クラッド層５ｄを順に形成し、光検出部２１における導波路型フォトディテクタ２２を形成する（図１８−４）。また、遅延干渉部形成領域ＲPCにおいてスラブ層５の厚さがサブミクロンオーダとなるように遅延干渉部形成領域ＲPCの上クラッド層５ｄをウエットエッチングなどでエッチングして、スラブ層５を形成する（図１８−５）。その後、遅延干渉部１１が形成される領域ＲPCでは実施の形態１で説明したようにフォトリソグラフィとエッチングによって周期的な構造に対して導入する線状の欠陥を有する空気穴構造を、スラブ層５を貫通するように形成する（図１８−６）。
【００７７】
そして、遅延干渉部形成領域ＲPCの下部に存在する基板６をエッチングにより除去して、空洞を形成する（図１８−７）。たとえば、塩酸（ＨＣｌ）はＩｎＰをよく溶かすがＩｎＧａＡｓＰは溶かさない性質があるので、集積光素子を塩酸に所定時間浸すことによって、遅延干渉部１１に形成された穴２から流れ込む塩酸で遅延干渉部形成領域ＲPCの下部の基板６をエッチングして、基板６内部を空洞にすることができる。このとき、光検出部形成領域ＲPDでは基板６がＩｎＧａＡｓＰの薄膜６ａで構成されているので、基板内部におけるＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰとの境界部分において、塩酸によって横方向にＩｎＰがエッチングされても、ＩｎＧａＡｓＰの薄膜６ａはエッチングされない。以上のようにして、遅延干渉部１１と光検出部２１とを一体に製造することが可能となる。
【００７８】
このように、薄膜層をＩｎＧａＡｓＰで形成し、下側基板をＩｎＰで形成すれば、塩酸を用いて薄膜層下部をウエットエッチングでアンダカットでき、遅延干渉部形成領域ＲPCのみにスラブ構造を形成することができる。しかし、光検出部２１は同様のアンダカットを行なう必要はないため、両者を一括形成するためには両者の境界垂直壁がＩｎＧａＡｓＰで形成されていればよい。また、光検出部２１の上面はマスクで覆ってしまえば上方からのウエットエッチングも防げる。この構成により容易にフォトニック結晶構造を有する遅延干渉部１１と光検出部２１を一括形成することができる。
【００７９】
この実施の形態１３によれば、同一基板上に、フォトニック結晶構造を有する遅延干渉部１１と、導波路型フォトディテクタを有する光検出部２１とを一体形成するように構成したので、両者を別々に作製したときに必要であった遅延干渉部１１の欠陥導波路３ａ，３ｂと光検出部２１の導波路型フォトディテクタ２２との位置合わせが不要となるという効果を有する。また、製造工程で遅延干渉部１１と光検出部２１とが同時に形成され、共通する構造を有する場合には工程の省略化を行うことができるので、両者をそれぞれ単独で作製後に接合する場合に比して歩留まりがよくなり、安価に光機能素子を製造することができるという効果を有する。また、基板をＩｎＰとし、薄膜層をＩｎＧａＡｓＰとした場合に、遅延干渉部１１と光検出部２１との基板内部での境界をＩｎＧａＡｓＰとすることによって、遅延干渉部１１下部の基板材料を塩酸によって除去し、光検出部２１下部の基板材料を除去しないようにして、遅延干渉部１１のみを薄膜スラブ構造とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
以上のように、この発明にかかる光遅延回路は、光通信において時分割多重を行なう光機能素子に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】この発明による光遅延回路の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２−１】２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光遅延回路の製造方法の一例を示す図である（その１）。
【図２−２】２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光遅延回路の製造方法の一例を示す図である（その２）。
【図２−３】２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光遅延回路の製造方法の一例を示す図である（その３）。
【図２−４】２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光遅延回路の製造方法の一例を示す図である（その４）。
【図２−５】２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光遅延回路の製造方法の一例を示す図である（その５）。
【図３】２次元スラブフォトニック結晶構造における欠陥導波路の規格化したバンド構造を示す図である。
【図４】光遅延回路の三角格子周期穴構造が形成される面内の状態を模式的に示す図である。
【図５】基板を含めた光遅延回路の実施の形態２の断面構造の一例を模式的に示す図である。
【図６】基板を含めた光遅延回路の実施の形態３の断面構造の一例を模式的に示す図である。
【図７】光遅延回路の実施の形態５の構成の一例を示す一部平面図である。
【図８】図７の光遅延回路におけるバンド構造図である。
【図９】光遅延回路の実施の形態６の構成の一例を示す平面図である。
【図１０】図９の光遅延回路におけるバンド構造図である。
【図１１】光遅延回路において導波路部分の組成を変化させた場合のバンド構造図である。
【図１２】光遅延回路の実施の形態８の構成の一例を示す斜視図である。
【図１３】光遅延回路の実施の形態９の構成の一例を示す斜視図である。
【図１４】光遅延回路の実施の形態１０の構成の一例を示す斜視図である。
【図１５】０次と１次の導波モードをフォトニックバンドギャップに挿入したバンド構造図である。
【図１６】光遅延回路を用いた集積光素子の構造を模式的に示す斜視図である。
【図１７】集積光素子の光検出部がリッジ型の導波路型フォトディテクタである場合の構造を模式的に示す斜視図である。
【図１８−１】集積光素子を一体形成する場合の製造方法の一例を示す図である（その１）。
【図１８−２】集積光素子を一体形成する場合の製造方法の一例を示す図である（その２）。
【図１８−３】集積光素子を一体形成する場合の製造方法の一例を示す図である（その３）。
【図１８−４】集積光素子を一体形成する場合の製造方法の一例を示す図である（その４）。
【図１８−５】集積光素子を一体形成する場合の製造方法の一例を示す図である（その５）。
【図１８−６】集積光素子を一体形成する場合の製造方法の一例を示す図である（その６）。
【図１８−７】集積光素子を一体形成する場合の製造方法の一例を示す図である（その７）。
【図１９】光遅延線を用いた光信号時分割多重伝送系の構成の従来例を示す図である。
【図２０】差動位相変調受信デバイスの構造の従来例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１，１ａ 光遅延回路
２ 空気穴
３ａ，３ｂ 欠陥導波路
３ｃ 点欠陥
４ａ，４ｂ 合分波部
５ コア層
６ 下クラッド層
７ 上クラッド層
８ スラブ層
９ 基板
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光通信や光情報処理に用いる光デバイスにおいて、フォトニック結晶を用いて、時間位相差を生じさせる光導波路を有する光遅延回路、この光遅延回路と受光器を組み合わせて光信号の感度を高める集積光素子、およびこの集積光素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光信号時分割多重伝送の伝送容量の増大化を図る方法として光遅延線を用いた光信号時分割多重伝送方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。図１９は、この光遅延線を用いた光信号時分割多重伝送系の構成の従来例を示す図である。送信側において、ｎチャネルの電気信号を電気・光変換回路１１１に同時並列に入力してｎチャネルの光信号が生成され、時分割多重における各チャネルのタイムスロットの時間幅に対応する基準遅延時間ずつ順次に遅延量が異なるｎ本の光遅延線群１１２および各光遅延線の出力光信号を合波する合波器１１３に同時並列に入力し、その合波出力として基準遅延時間ずつ遅延したｎチャネルの光信号からなる時系列光信号が光伝送路１０４に出力される。また、受信側において、光伝送路１０４から入力されるｎチャネルの時系列光信号を分波器１１５によってｎチャネルの光信号に分波し、ｎ本の光遅延線群１１６に分波したｎチャネルの光信号を同時並列に入力し、その出力光を光・電気変換回路１１７によってｎチャネルの電気信号に変換する。
【０００３】
この特許文献１に記載の光信号時分割多重伝送方法で用いられる光遅延線（１１２，１１６）は、ファイバを用いて構成されている。この従来の光遅延線（１１２，１１６）において、たとえば２つに分岐したファイバ間で４０Ｇｂｐｓの信号の送受信で１ｂｉｔ分の遅延Δｔ（＝２５ｐｓｅｃ）を生じさせるためには、Δｔ×ｃ／ｎ＝２５［ｐｓｅｃ］×３×１０8［ｍ／ｓｅｃ］／１．５≒５［ｍｍ］のファイバ長差をつける必要がある。
【０００４】
このような光遅延線は、マッハツェンダ干渉計を構成する際などにも用いられる。図２０は、差動位相変調（Differential Phase Shift Keying、以下、ＤＰＳＫという）受信デバイスの構造の従来例を模式的に示す図である。この図に示されるように、ＤＰＳＫ受信デバイス１５０は、２個の合分波器１３１とファイバ１３２で構成される１ビット遅延線からなるマッハツェンダ干渉計１３０と２個のフォトディテクタ１４１からなるフォトディテクタモジュール１４０とが外付けファイバ１５１を用いて接続された構成を有しており、時間遅延光回路を構成している（たとえば、非特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−５３９３６号公報
【非特許文献１】E. A. Swanson, et al., "High Sensitivity Optically Preamplified Direct Detection DPSK Receiver with Active Delay-Line Stabilization", IEEE Photonics Technology Letters, 1994, 6, p.263
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の従来の光遅延線を含む光遅延回路装置は、上述したように光遅延線をファイバで構成し、複数のファイバ間で長さに差を設けるように構成しなければならないので、装置構成が非常に大きくなり、取り扱いが面倒となるという問題点があった。また、この光遅延回路装置の温度安定化を図るためには、大容量の温度調節機構が必要となり、小さいデバイスへの組み込みが困難になってしまうという問題点もあった。
【０００７】
さらに、非特許文献１に記載のＤＰＳＫ受信デバイスは、フォトディテクタモジュールにマッハツェンダ干渉計と接続されるファイバが外付けされるために取り扱いが面倒となるという問題点があった。またこのＤＰＳＫ受信デバイスの温度安定化を図るためには、ＤＰＳＫ受信デバイス全体の温度調整を図る必要があり、上記特許文献１と同様にデバイスの小型化が困難になるという問題点もあった。さらに、デバイスとファイバとの組み合わせも高価になってしまうという問題点もあった。
【０００８】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、小型で、環境変動に対し安定で制御しやすい光遅延回路と、この遅延回路を用いた集積光素子を得ることを目的とする。また、この集積光素子に適した製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、この発明にかかる光遅延回路は、フォトニック結晶の周期的な屈折率分布構造に対して導入される線状の欠陥によって形成される欠陥導波路が複数並列に配置されてなる光遅延回路であって、前記欠陥導波路は、前記欠陥導波路間の距離が近接して配置され、光の合分波を行う合分波部と、前記合分波部から分岐し、前記欠陥導波路中を伝送する光が互いに干渉しない前記欠陥導波路間の距離を有して配置される光遅延部と、を備え、前記複数の欠陥導波路間の構成を異ならせることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、光遅延回路が、異なる幅を有する線状欠陥を並列に配置したフォトニック結晶によって構成され、その結果として小さいサイズで所望の光遅延を実現することが可能になるという効果を有する。また、小型であるので、環境変動に対し安定で制御しやすいという効果も有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光遅延回路および集積光素子の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、この発明にかかる光遅延回路の構成を模式的に示す斜視図である。この光遅延回路１は、図示しない基板上に形成した周期的な屈折率分布構造を有するフォトニック結晶構造に、前記周期的な屈折率分布構造に対する互いに幅の異なる線状の欠陥を複数導入することによって構成される。図１の例では周期的な屈折率分布構造として、空気穴２を形成している。後述するように、この線状欠陥がレーザ光の導波路３ａ，３ｂとなる。この導波路３ａ，３ｂは、周期的な屈折率分布構造に対する欠陥によって形成されるので、この明細書中で欠陥導波路ともいう。図１では、フォトニック結晶構造の光遅延回路１に、２本の欠陥導波路３ａ，３ｂが形成されており、一方の欠陥導波路３ａは、周期的な屈折率分布構造を直線状に崩したものであり、他方の欠陥導波路３ｂは、直線状の欠陥導波路３ａと所定の光路長差となるように幅を変えて周期的な屈折率分布構造を崩すとともに、直線状の欠陥導波路３ａの伸長方向にほぼ並行して配置される。これらの２本の欠陥導波路３ａ，３ｂには、外部から入力される光信号を分波するカプラ４が形成されている。なお、欠陥導波路３ａ，３ｂにおけるカプラ４間の幅を変えて並列に配置された部分が、特許請求の範囲における光遅延部に相当する。
【００１３】
ここでは、光遅延回路が、フォトニック結晶構造として２次元スラブフォトニック結晶構造（薄膜スラブ構造）を有する場合を例に挙げて説明する。２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光遅延回路１は、図示しない基板上に、コア層よりも屈折率の低い下クラッド層、コア層、コア層よりも屈折率の低い上クラッド層が順に積層して構成されるサブミクロンオーダの厚さのスラブ層５の２次元面内に、積層方向にスラブ層５を貫通するように周期的な屈折率分布構造を有して構成される。そして、この２次元周期構造に対する欠陥によって欠陥導波路３ａ，３ｂが形成されている。周期的な屈折率分布構造は、たとえば空気穴２を三角格子状に配置した三角格子周期穴構造などによって構成される。このようなスラブ層５は、化合物半導体材料によって形成することができる。
【００１４】
図２−１〜図２−５は、２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光遅延回路の製造方法の一例を示す図である。まず、図２−１に示されるように、基板６上に、下クラッド層５ｂ、コア層５ａおよび上クラッド層５ｃからなるスラブ層５の薄膜を有機金属化学気相成長装置（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）や分子線成長装置（Molecular Beam Epitaxy）などの結晶成長装置を用いてエピタキシャル成長させて形成する。
【００１５】
ついで、図２−２に示されるように、上記の工程で基板６上にエピタキシャル成長して形成された上クラッド層５ｃ上に、有機材料からなる電子ビーム（Electron Beam（以下、ＥＢという））露光用レジスト７を塗布する。その後、図２−３に示されるように、ＥＢ露光機によって、線状欠陥構造も含めた２次元周期的空気穴構造形成用のパターンを描画し、２次元周期的空気穴構造を形成する領域以外のＥＢ露光用レジスト７を残して、２次元周期的空気穴構造を形成する領域のＥＢ露光用レジスト７を除去する。
【００１６】
つぎに、図２−４に示されるように、反応性イオンエッチング装置（Reactive Ion Etching）や誘導プラズマエッチング装置（Induced Coupled Plasma Etching）などのエッチング装置によって、上記パターンにしたがって、上クラッド層５ｃから下クラッド層５ｂを貫き、基板６の上層部まで届くようにエッチング加工して、空気穴構造を形成する。その後、エッチングを行わなかった領域に塗布されているＥＢ露光用レジスト７を除去する。
【００１７】
そして、図２−５に示されるように、ウエットエッチングによって、２次元周期的空気穴構造の下部の基板６部分のみを選択的に除去することによって、２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光遅延回路１ａが得られる。このとき、基板６は内部が空洞の状態となっており、シート状のスラブ層５の周縁部が基板６によって支持される構造となっている。そのために、図１では基板部分を省略して図示している。このような構造によって、スラブ層の上下両面が空気と接触し、スラブ層を構成する化合物半導体材料と空気との屈折率差によって光の閉じ込めが可能となる。
【００１８】
ここで、この発明による光遅延の原理について説明する。図３は、２次元スラブフォトニック結晶構造における欠陥導波路の規格化したバンド構造を示す図である。横軸は規格化波数ベクトルを示し、縦軸は光の規格化周波数を示している。このバンド構造図において、白抜きの三角で示される記号を結んで構成される曲線Ｌ０は、三角格子周期穴構造によるモードを示している。このバンド構造図の上部と下部に存在する曲線Ｌ０の間にはモードが存在しないため、光の禁制帯（Photonic Band Gap、以下、フォトニックバンドギャップという）として光が存在し得ない周波数帯域となる。このとき、三角格子周期穴構造をスラブ層５内に形成した２次元スラブフォトニック結晶において、空気穴構造を１列取り除く（周期的な空気穴構造を直線状に崩す）ことによって欠陥導波路３ａを形成すると、黒丸で示される記号を結んで構成される曲線Ｌ１のように導波モードが生じる。この曲線Ｌ１は、規格化波数ベクトルｋｙが０．１５〜０．３２５の範囲では、その傾きｄω／ｄｋはほぼ０．２４となっている（ただし、ｄω／ｄｋの値は、光速度ｃで規格化されている）。バンド構造図では、導波モードを示す曲線の傾きがその光の群速度を表すため、上記規格化波数ベクトルｋｙの範囲における群速度は約０．２４となる。
【００１９】
一方、欠陥導波路３ａ外の三角格子周期穴構造とその格子周期ａを所定の値のままとして、欠陥導波路幅のみを変化させることで、導波モードを変化させることができる。たとえば、三角格子周期がａであるので、上記曲線Ｌ１の場合の線欠陥導波路幅（欠陥導波路３ａの幅）は３1/2・ａであるが、この線欠陥導波路幅（欠陥導波路３ｂの幅）を１．５１ａに変化させた場合には、その導波モードは、白抜きの四角で示される記号を結んで構成される曲線Ｌ２に示されるものとなる。ここで、規格化周波数０．２８６〜０．２９６の帯域に注目すると曲線Ｌ２によって示される導波モードの群速度（ｄω／ｄｋ）は、約０．１２となっており、曲線Ｌ１によって示される導波モードの群速度０．２４と比較してかなり遅い値となっている。
【００２０】
なお、上述した説明では、図４に示されるように、光遅延回路の三角格子周期穴構造が形成される面内において、直線状の欠陥導波路３の伸長方向をｙ方向とし、このｙ方向に垂直な方向をｘ方向としている。また、線欠陥導波路幅は、欠陥導波路３の両側に近接してｘ方向に形成される空気穴２の中心間距離として定義している。さらに、図１において、曲げを有する欠陥導波路３ｂの幅が場所によって異なっているが、この場合の線欠陥導波路幅とは、欠陥中で最も狭い値を有する部分のことをいう。つまり、図１の欠陥導波路３ｂの導波路幅は領域Ｒ１の導波路幅ｄ１のことをいう。これは、幅の狭い導波路で存在することができる光は、その幅よりも広い導波路でも存在することができるが、逆に、幅の広い導波路で存在することができる光のうちの一部の光は、その幅よりも狭い導波路で存在することができない場合が存在するからである。
【００２１】
以上で説明したように、２本の線欠陥導波路幅をわずかに異ならせることによって、２本の欠陥導波路３ａ，３ｂ間で、光信号の速度を変えることが可能となる。すなわち、欠陥導波路幅の異なる欠陥導波路３ａ，３ｂを並列に形成することで、それぞれの欠陥導波路３ａ，３ｂを伝送する光信号の群速度を変えることができる。その結果、フォトニック結晶を用いることによって光遅延線を構築することができる。
【００２２】
つぎに、光遅延回路の動作について説明する。この光遅延回路１の端部Ａには、たとえば時分割多重化された光信号を伝送する光ファイバなどの結合光学系と接続されており、その光ファイバからの光信号が欠陥導波路３ａまたは欠陥導波路３ｂに入力されると、光信号はカプラ４で分波される。分波された光信号は、それぞれ対応する欠陥導波路３ａ，３ｂに入力される。欠陥導波路３ａ，３ｂ内では、上述したようにそれぞれの欠陥導波路幅によって定まる群速度で光信号は伝播する。たとえば、時分割多重された光信号を多重分離する場合には、各光信号のタイムスロットの時間幅に対応する時間だけ遅延量を異ならせるように、具体的には複数の光信号間での遅延量がなくなるように欠陥導波路幅を変化させて、光遅延回路１の他の端部Ｂ側の欠陥導波路３ａ，３ｂからは、設定された遅延量を持った光信号が出力される。なお、上述した説明では、時分割多重された光を分波する場合であるが、入力される光信号を時分割多重する場合には、各光信号間でのタイムスロットの時間幅に対応する時間だけ遅延が生じるように欠陥導波路３ａ，３ｂの幅を設定して、それぞれの光信号を光遅延回路１の端部Ｂから入力することで、時分割多重された光信号が光遅延回路１の端部Ａから出力される。
【００２３】
ここで、具体的な数値を挙げて光遅延回路の構造について説明する。図１に示される２次元スラブフォトニック結晶の三角格子周期ａを０．４５３μｍとすると、上記規格化周波数が０．２８６〜０．２９６の帯域は波長１．５３０〜１．５８４μｍに相当するので、光通信におけるＣ帯と一致する。つまり、光通信におけるＣ帯で一律にこの光遅延線を適用することが可能となる。たとえば、２つに分岐した４０Ｇｂｐｓの光信号において１ｂｉｔの遅延（すなわち２５ｐｓｅｃの時間遅れ）が生じるように設計するためには、導波モードＬ１，Ｌ２に対応した２つの線欠陥導波路間の時間差を利用すると、（ν1.73a−ν1.51a）×ｃ×２５［ｐｓｅｃ］≒０．９［ｍｍ］の長さで並列に形成した線欠陥導波路により実現することができる。この発明による光遅延回路は、特許文献１に示される従来のファイバを用いた光遅延線の場合と比較すると約１／５の長さにすることができる。また、４０Ｇｂｐｓを超える高速信号の場合にはより単尺化することができる。
【００２４】
光遅延回路としてこの１ｂｉｔ遅延フォトニック結晶導波路を、マッハツェンダ干渉計の各導波路とすることによって、１ｂｉｔ光遅延機能マッハツェンダ干渉計を備えたフォトニック結晶スラブ導波路回路を作成することができる。
【００２５】
また、この１ｂｉｔ光遅延機能マッハツェンダ干渉計に、２連のフォトディテクタを有する光検出部を組み合わせることで、ＤＰＳＫ受信デバイスである集積光素子をコンパクトに構築することができる。この集積光素子の構成については、実施の形態１２以降で説明する。
【００２６】
この実施の形態１によれば、光遅延回路を、異なる幅を有する線状欠陥を並列に配置したフォトニック結晶によって構成するようにしたので、小さいサイズで所望の光遅延を実現することが可能となる。また、光遅延回路１は小型であるので、取り扱いが容易であり、温度安定化を容易に図ることができるという効果も有する。
【００２７】
実施の形態２．
実施の形態１の図１では、フォトニック結晶構造として２次元スラブフォトニック結晶構造を有する場合を例に挙げて説明した。上述したように、光遅延回路１は、基板上に作製されるが、薄膜のスラブ層５の面内に２次元の周期的な空気穴構造を形成した後に、その空気穴２から基板を除去するために２次元スラブフォトニック結晶構造を有する基板を溶液中に浸して、スラブ層５下部の基板を除去する処理が行われる。その結果、光遅延回路１において、基板の周縁部を除く中央付近は除去されて空洞状態となり、薄膜の周縁部のみが基板で支持された構造となっている。
【００２８】
このようなシート状の構造のみでは、衝撃などに対して弱くなる。そこで、スラブ層５の上下をポリマーなどのスラブ層５に比較して屈折率の低い誘電体層で挟むような構造としてもよい。図５は、この発明にかかる光遅延回路の実施の形態２の構成を模式的に示す断面図である。この図に示されるように、光遅延回路１ａは、実施の形態１の光遅延回路１において、スラブ層５下部の基板６が除去された空洞部とスラブ層５の上部にそれぞれ誘電体層７ａ，７ｂが形成されることを特徴とする。
【００２９】
たとえば、誘電体層７ａ，７ｂとしてポリマーを用いてスラブ層５の上下をポリマーで挟む場合には、スラブ層５の下部には、基板６の側壁に開けた図示しない穴または空気穴２に液状のポリマーを流し込み、スラブ層５上にはスピンコートによってポリマーを塗布後に熱処理する方法によって、誘電体層７ａ，７ｂを形成することができる。このような構成により、シート状の光遅延回路１ａの機械強度を上げることができる。また、誘電体層７ａ，７ｂの屈折率はスラブ層５に比して低いので、スラブ層５内を伝播する光の屈折率閉じ込めを行なうことができる。
【００３０】
この実施の形態２によれば、２次元スラブフォトニック結晶構造において、スラブ層５の上下にポリマーなどの誘電体層７ａ，７ｂで挟む構造としたので、機械強度の十分に強い光遅延回路１ａを構成することができ、その結果、外部からの衝撃に強い光遅延回路１ａが得られる。特に、２次元スラブフォトニック結晶が化合物半導体で形成され、誘電体層７ａ，７ｂをポリマーとする場合には、化合物半導体とポリマーという屈折率差の大きい構造でスラブ層５の上下方向の光の閉じ込めを強めて、光の漏れの少ない構造とすることができる。
【００３１】
実施の形態３．
上述した実施の形態１，２では、光遅延回路が２次元スラブフォトニック結晶構造、すなわちサブミクロンオーダの厚さを有する構造の場合を例に挙げて説明した。たとえば、実施の形態１では、サブミクロンオーダの厚さのスラブ層５の上下を空気層として、化合物半導体材料からなるスラブ層５と空気層との屈折率差で、スラブ層５内を導波する光の閉じ込めを行なっていた。しかし、スラブ層５を厚くしてスラブ層５自身で光の閉じ込めを行うようにしてもよい。
【００３２】
図６は、この発明にかかる光遅延回路の実施の形態３の構成を模式的に示す断面図である。この図に示されるように、この光遅延回路１ｂは、基板６上にコア層５ａよりも屈折率の低い下クラッド層５ｂ、レーザ光を発生して伝播させるコア層５ａおよびコア層５ａよりも屈折率の低い上クラッド層５ｃが積層して構成され、積層方向に上クラッド層５ｃから下クラッド層５ｂまでを貫通するように空気穴２が２次元面内に周期的に形成される。そして、この周期的な空気穴構造に対して線状の欠陥を導入して、欠陥導波路３ａ，３ｂを形成している。ここで、下クラッド層５ｂから上クラッド層５ｃまでの厚さは数ミクロンから数十ミクロンの厚さを有するように形成される点が実施の形態１のものとは異なる。すなわち、この実施の形態３における光遅延回路１ｂでは、コア層５ａで発生した光の上下方向の閉じ込めを、コア層５ａよりも屈折率が低い上下クラッド層５ｂ，５ｃによって行い、欠陥導波路３ａ，３ｂ中をレーザ光が伝播するようにしている。また、上下クラッド層５ｂ，５ｃによって光の閉じ込めを行なうので、周期的な空気穴構造が形成される下クラッド層５ｂの下部の基板部分を除去する必要がない。なお、光遅延回路１ｂの上面の形態は実施の形態１の図１と同様であるので、その図示を省略している。
【００３３】
コア層５ａと上下クラッド層５ｂ，５ｃは、たとえば化合物半導体材料によって形成することができる。化合物半導体材料としてＩｎ(1-x)Ｇａ(x)Ａｓ(y)Ｐ(1-y)を用いる場合には、ｘとｙを０〜１で変化させると屈折率も１〜２割程度変化させることができるので、適当なｘ，ｙを設定することで、コア層５の屈折率よりも低くなるようなコア層５の組成とわずかに異なる組成の上下クラッド層５ｂ，５ｃを得ることが可能となる。
【００３４】
この構成によれば、上下クラッド層５ｂ，５ｃも化合物半導体で形成し、化合物の組成比を適当に設定することで、コア層５ａと上下クラッド層５ｂ，５ｃの比屈折率差Δが小さいながらも、屈折率による光の閉じ込めができる。また、このような組成の化合物半導体は結晶構造も同様であるので、薄膜作製が容易となる。さらに、下クラッド層５ｂの下部の基板部分を除去する必要がない。
【００３５】
この実施の形態３によれば、コア層５ａと上下クラッド層５ｂ，５ｃとを、組成のわずかに異なる結晶構造の類似する化合物半導体で作製するようにしたので、光遅延回路１ｂの薄膜作製工程の簡素化を図ることができる。
【００３６】
実施の形態４．
フォトニック結晶導波路部の設計として、相対的に幅の広いフォトニック結晶導波路と幅の狭いフォトニック結晶導波路の群速度差を光遅延に用いるが、上述した実施の形態では、群速度の速い（基準となる）フォトニック結晶の欠陥導波路幅を２次元周期的空気穴構造において、単に１列の空気穴構造を取り除いた３1/2・ａとした。しかし、欠陥導波路幅はこの値に限られることなく、たとえば、さらにこの値を大きくして、両欠陥導波路幅を広げることも可能である。欠陥導波路幅を広げることによって、外部のファイバなどの光伝送路との接続も容易となる。
【００３７】
この実施の形態４によれば、フォトニック結晶に形成する欠陥導波路幅を任意に設定するようにしたので、たとえば、欠陥導波路幅を広げた場合には、導波路伝播損失を低減し、また外部の結合光学系から導波路への入射光効率の高い光遅延回路を形成することができる。
【００３８】
実施の形態５．
上述した実施の形態では、光遅延回路に、相対的に幅の広い欠陥導波路と幅の狭い欠陥導波路を設計して光遅延回路を実現していた。しかし、各欠陥導波路の幅を異ならせる代わりに、フォトニック結晶構造を構成する２次元の周期的空気穴構造の格子周期をわずかに異ならせることによっても、複数の欠陥導波路を伝送する光信号の群速度の間に遅延を生じさせることができる。
【００３９】
図７は、光遅延回路の実施の形態５の構成の一例を示す一部平面図である。この図に示されるように、光遅延回路１の２次元周期的空気穴構造における格子周期をわずかに変えた領域Ｒ３，Ｒ４がスラブ層の平面内に形成されている。すなわち、欠陥導波路３ｂが欠陥導波路３ａから最も離れる位置の周囲における領域をＲ４とし、その他の領域をＲ３とすると、領域Ｒ４の格子周期ａ４を領域Ｒ３の格子周期ａ３と異ならせるようにしている。この例では、領域Ｒ３の格子周期ａ３を０．４２μｍとし、領域Ｒ２の格子周期ａ４を０．４４μｍとしている。
【００４０】
図８は、図７に示される２次元周期的空気穴構造を有する光遅延回路において、格子周期をわずかに異ならせた場合のバンド構造図である。横軸は規格化波数ベクトルを示し、縦軸は光の波長を示している。また、白抜きの四角の記号を結んで得られる曲線Ｌ３が格子周期ａ３＝０．４２μｍの導波モードを示しており、黒丸の記号を結んで得られる曲線Ｌ４が格子周期ａ４＝０．４４μｍの導波モードを示している。
【００４１】
この図８に示されるように、縦軸の波長の値が１．５１〜１．５５μｍの帯域を参照すると、格子周期ａ≒０．４４μｍの２次元スラブフォトニック結晶では、群速度（すなわち曲線Ｌ４の傾き）はｄω／ｄｋ≒０．２４であり、格子周期ａ≒０．４２μｍの２次元スラブフォトニック結晶では、群速度（すなわち曲線Ｌ３の傾き）はｄω／ｄｋ≒０．１３となっている。つまり、格子周期を変えて形成したそれぞれの導波路には、異なる群速度の光信号が伝播することになり、実施の形態１〜４で説明した、導波路幅を変化させた場合と同様の結果を得ることができる。
【００４２】
この実施の形態５によれば、光遅延回路を、格子周期の異なる複数の領域を配置した２次元スラブフォトニック結晶を用いて構成するようにしたので、小さいサイズで所望の光遅延を実現することが可能となる。
【００４３】
実施の形態６．
上述した実施の形態１〜４では、光遅延回路に、相対的に幅の広い欠陥導波路と幅の狭い欠陥導波路を設計して光遅延回路を実現していた。しかし、各欠陥導波路の幅を異ならせる代わりに、フォトニック結晶構造を構成する２次元の周期的空気穴構造の格子穴の半径をわずかに異ならせることによっても、複数の欠陥導波路を伝送する光信号の群速度の間に遅延を生じさせることができる。
【００４４】
図９は、光遅延回路の実施の形態６の構成の一例を示す平面図である。この図に示されるように、光遅延回路１の２次元周期的空気穴構造における格子穴半径をわずかに変えた領域Ｒ５，Ｒ６がスラブ層５の平面内に形成されている。すなわち、欠陥導波路３ｂが欠陥導波路３ａから最も離れる位置の周囲における領域をＲ６とし、その他の領域をＲ５とすると、領域Ｒ６の格子穴半径ｒ６を領域Ｒ５の格子穴半径ｒ５と異ならせるようにしている。この例では、領域Ｒ５の格子穴半径ｒ５を０．３１ａとし、領域Ｒ６の格子穴半径ｒ６を０．２７ａとしている。
【００４５】
図１０は、図９に示される２次元周期的空気穴構造を有する光遅延回路において、格子穴半径をわずかに異ならせた場合のバンド構造図である。横軸は規格化波数ベクトルを示し、縦軸は光の規格化周波数を示している。また、白抜きの三角の記号を結んで得られる曲線Ｌ５が格子穴半径ｒ５＝０．３１ａの導波モードを示しており、白抜きの四角の記号を結んで得られる曲線Ｌ６が格子半径ｒ６＝０．２７ａの導波モードを示している。
【００４６】
この図１０に示されるように、縦軸の規格化周波数の値が０．２８〜０．２９の範囲（格子周期ａ＝０．４４μｍの場合に、波長１．５３〜１．５７μｍに相当する）を参照すると、格子穴半径ｒ６＝０．２７ａの２次元スラブフォトニック結晶の領域Ｒ６では、群速度（すなわち曲線Ｌ６の傾き）はｄω／ｄｋ≒０．２２であり、格子穴半径ｒ５＝０．３１ａの２次元スラブフォトニック結晶の領域Ｒ５では、群速度（すなわち曲線Ｌ５の傾き）はｄω／ｄｋ≒０．１６となっている。つまり、格子穴半径を変えて形成したそれぞれの導波路には、異なる群速度の光信号が伝播することになり、実施の形態１〜４で説明した、導波路幅を変化させた場合と同様の結果を得ることができる。
【００４７】
この実施の形態６によれば、光遅延回路を、格子穴半径の異なる複数の領域を配置した２次元スラブフォトニック結晶を用いて構成するようにしたので、小さいサイズで所望の光遅延を実現することが可能となる。
【００４８】
実施の形態７．
上述した実施の形態１〜４では、光遅延回路に、相対的に幅の広い欠陥導波路と幅の狭い欠陥導波路を設計して光遅延回路を実現していた。しかし、各欠陥導波路の幅を異ならせる代わりに、フォトニック結晶構造を構成する化合物組成をわずかに異ならせることによっても、複数の欠陥導波路を伝送する光信号の群速度の間に遅延を生じさせることができる。
【００４９】
たとえば、フォトニック結晶構造を構成する半導体材料としてＩｎＧａＡｓＰを用いる場合、Ｉｎ(1-x)Ｇａ(x)Ａｓ(y)Ｐ(1-y)の組成において、上述したようにｘとｙを０〜１の間で変化させることによって、屈折率を１〜２割程度変化させることができる。また、フォトニック結晶構造を有する半導体材料としてＧａＡｓを用いる場合には、ＡｌＧａＡｓなどとの類似の組成および構造を有する材料との間で組成比を変化させることによって、屈折率を同様に変化させることができる。したがって、このような材料を用いて、欠陥導波路部分やクラッド部分、２次元周期的空気穴構造部分における組成を変化させることで、フォトニック結晶構造における屈折率を変化させることができる。たとえば、欠陥導波路部分の組成と、２次元周期的空気穴構造部分の組成とを変えることによって、フォトニック結晶構造における屈折率を変化させることができる。
【００５０】
図１１は、フォトニック結晶構造を有する光遅延回路において、導波路部分の組成を変化させて２つの導波路における屈折率を変化させた場合のバンド構造図である。横軸は規格化波数ベクトルを示し、縦軸は光の規格化周波数を示している。また、白抜きの三角の記号を結んで得られる曲線Ｌ７が屈折率ｎ＝３．４０の導波モードを示しており、黒の四角の記号を結んで得られる曲線Ｌ８が屈折率ｎ＝３．２８の導波モードを示している。
【００５１】
この図１１に示されるように、縦軸の規格化周波数の値が０．２７４〜０．２８０の帯域（格子周期ａ＝０．４２８μｍの場合に、波長１．５３〜１．５６μｍに相当する）を参照すると、屈折率ｎ＝３．４０の導波路では、群速度（すなわち曲線Ｌ７の傾き）はｄω／ｄｋ≒０．２１であり、屈折率ｎ＝３．２８の導波路では、群速度（すなわち曲線Ｌ８の傾き）はｄω／ｄｋ≒０．１２となっている。つまり、屈折率を変えて形成したそれぞれの導波路には、異なる群速度の光信号が伝播することになり、実施の形態１〜４で説明した、導波路幅を変化させた場合と同様の結果を得ることができる。
【００５２】
この実施の形態７によれば、光遅延回路を、導波路を構成する化合物組成を異ならせて、導波路における屈折率を異ならせたフォトニック結晶を用いて構成するようにしたので、小さいサイズで所望の光遅延を実現することが可能となる。
【００５３】
実施の形態８．
上述した実施の形態１〜４では、光遅延回路に、相対的に幅の広い欠陥導波路と幅の狭い欠陥導波路を設計して光遅延回路を実現していた。しかし、各欠陥導波路の幅を異ならせる代わりに、欠陥導波路の近傍または途中に点欠陥を挿入することによっても、複数の欠陥導波路を伝送する光信号の群速度の間に遅延を生じさせることができる。
【００５４】
図１２は、光遅延回路の実施の形態８の構成の一例を示す斜視図である。この図では、２本の直線状の欠陥導波路３ａ，３ｂのうち一本の欠陥導波路３ｂの伸長方向中央部付近に、空気穴構造が楕円状に変形された点欠陥３ｃが形成された光遅延回路を例示している。点欠陥３ｃは共振モードを有し、欠陥導波路３ｂを伝送する光は点欠陥３ｃにトラップされ、所定の時間経過した後に再び欠陥導波路３ｂに放出される。これにより、欠陥導波路３ｂを伝送する光は点欠陥３ｃにトラップされる時間だけ遅延が生じることになる。空気穴径を大きくした形のアクセプタ欠陥では、そのＱ値（一般に共振器では、Ｑ≡−ω・Ｅ／（ｄＥ／ｄｔ）＝ω・τで定義される。ただし、ωは角周波数、Ｅは共振器に蓄積されたエネルギ、τは共振寿命を表す。）は、５００程度の値を実現でき、また逆に空気穴を埋める形のドナー欠陥ではＱ値が５０，０００を超える値を実現することができる。これにより、前者の場合でτ〜０．４ｐｓｅｃ、後者の場合で４０ｐｓｅｃ程度の遅延が可能となる。なお、図１２では、点欠陥３ｃが楕円状の空気穴である場合を示したが、これに限られるものではなく、点欠陥３ｃであれば空気穴を小さくしたものや大きくしたものなどであってもよい。
【００５５】
この実施の形態８によれば、直線状の欠陥導波路の近傍またはその途中に点欠陥を形成した光遅延回路を構成するようにしたので、小さいサイズで所望の光遅延を実現することが可能となる。
【００５６】
実施の形態９．
図１３は、光遅延回路の実施の形態９の構成の一例を示す斜視図である。上述した実施の形態において、２本の欠陥導波路間の距離については規定していなかったが、この実施の形態９では、欠陥導波路（幅はサブμｍサイズ）への外部からの入射部（端部Ａの欠陥導波路形成領域）において、２本の欠陥導波路３ａ，３ｂ間の距離を近接して（距離はサブμｍサイズ）並列に配置させるようにしている。このような構成によれば、外部からの１つの結合光学系を２つの欠陥導波路に一括結合させることができる。すなわち、１つの結合光学系からの光を同時に２つの欠陥導波路３ａ，３ｂに入射させることが可能となる。これにより、ファイバに比べて幅の狭い欠陥導波路への光の結合効率が、１つの欠陥導波路ごとに入射させる場合の値に比べて全体で高い値を実現することができる。
【００５７】
この実施の形態９によれば、２本の欠陥導波路の距離を近接して並列に配置させた光遅延回路を構成したので、この光遅延回路に光を入射する結合光学系を１つにして結合することができるという効果を有する。また、一導波路に結合させてから分岐する場合に比して光の結合効率を向上することができる。これにより、サイズの小さな光遅延回路を有する光機能素子を実現することが可能となる。
【００５８】
実施の形態１０．
図１４は、光遅延回路の実施の形態１０の構成の一例を示す斜視図である。この図に示されるように、フォトニック結晶中に形成する幅の異なる線状の２本の欠陥導波路を、平行な直線状の欠陥導波路とすることを特徴とする。つまり、実施の形態１の図１では、一方の欠陥導波路の分岐部分を曲げて構成していたが、この実施の形態１０ではフォトニック結晶中の欠陥導波路３ａ，３ｂは曲げ分岐せずに、平行な欠陥導波路のままとしている。このような構造では、方向性結合器の原理によって伝播長Ｌｄに応じた光の分岐、合波、再分岐を行なうことが可能となる。つまり、２本の平行に形成された欠陥導波路３ａ，３ｂの長さを適当な値に設定することによって、２本の欠陥導波路３ａ，３ｂ中を伝播する光信号の間に、所望の遅延を生じさせることができる。
【００５９】
この実施の形態１０によれば、フォトニック結晶中に複数の互いに平行な幅の異なる直線状の欠陥導波路を形成するように構成したので、欠陥導波路を曲げることによる曲げロスを低減することができるとともに、方向性結合器の原理による光の合分波を行うことができる。また、コンパクトに光遅延回路を構成することができる。
【００６０】
実施の形態１１．
上述した実施の形態では、０次モードの光を利用していた。しかし、０次モードの光だけでなく、高次（１次）モードの光を併用することで、群速度の遅い特性を利用でき、光遅延回路を構成することも可能である。
【００６１】
図１５は、０次と１次の導波モードをフォトニックバンドギャップに挿入したバンド構造図である。この図において、横軸は規格化波数ベクトルを示し、縦軸は光の規格化周波数を示している。また、黒丸の記号を結んで得られる曲線Ｌ９が０次の導波モードを示しており、白抜きの四角の記号を結んで得られる曲線Ｌ１０が１次の導波モードを示している。
【００６２】
この図１５に示されるように、縦軸の規格化周波数の値が０．３０２〜０．３０６の帯域（格子周期ａ＝０．４６９μｍの場合に、波長１．５３〜１．５５μｍに相当する）を参照すると、１次の導波モードでは、群速度（すなわち曲線Ｌ１０の傾き）はｄω／ｄｋ〜０．０９であり、０次の導波モードでは、群速度（すなわち曲線Ｌ９の傾き）はｄω／ｄｋ〜０．２３となっている。つまり、複数の異なる導波モードを用いることによってそれぞれの欠陥導波路には、異なる群速度の光信号が伝播することになり、実施の形態１〜４で説明した、導波路幅を変化させた場合と同様の結果を得ることができる。なお、０次や１次の導波モードは、所望の導波モードが欠陥導波路中に伝播するように導波路幅や導波路の構造を適宜変えることによってその利用を実現することができる。
【００６３】
この実施の形態１１によれば、光遅延回路の欠陥導波路に導波モードの異なる光信号を伝送させるようにしたので、小さいサイズで所望の光遅延を実現することが可能となる。また、広帯域で群速度の遅い特性を利用することが可能になる。
【００６４】
なお、欠陥導波路を単一仕様ではなく、上述した実施の形態１〜１１で説明した異なる種類（格子周期、欠陥導波路幅、空気穴径、化合物組成など）を組み合わせることで、広帯域で群速度の遅い特性を利用可能となり、フォトニック結晶構造を用いた光遅延回路を構成することが可能となる。また、実施の形態４〜１１において、実施の形態２で説明したようにフォトニック結晶構造のスラブ層５の上下をポリマーなどのスラブ層５よりも屈折率の低い誘電体材料で挟む構造としてもよい。
【００６５】
実施の形態１２．
上述した実施の形態１〜１１では光遅延回路の構成を説明したが、以下ではこれらの光遅延回路を用いた集積光素子の実施の形態について説明する。たとえば、実施の形態１で説明した光遅延回路１において、１つの光信号を分波して２つの欠陥導波路間で１ｂｉｔの遅延を生じさせた後に干渉させるように構成し、それぞれの欠陥導波路に２連のフォトディテクタを有する光検出部を組み合わせることで、集積光素子としてのＤＰＳＫ受信デバイスを構築することができる。
【００６６】
図１６は、光遅延回路を用いた集積光素子（ＤＰＳＫ受信デバイス）の構造を模式的に示す斜視図である。図１６に示されるように、集積光素子１０は、光信号を分波して所定量の遅延を生じさせた後に干渉させる遅延干渉部１１と、遅延干渉部１１から出力される干渉波を検出する光検出部２１と、を備えて構成される。
【００６７】
遅延干渉部１１は、線状の欠陥が導入された欠陥導波路３ａ，３ｂを有するフォトニック結晶によって構成される。図１６に示されるように、欠陥導波路のうち１本は周期的な空気穴構造のうちの１列を崩した直線状の欠陥導波路３ａであり、もう１本は直線状の欠陥導波路３ａを伝播する光に比して１ｂｉｔの遅延が生じるように、欠陥導波路３ａの伸長方向にほぼ並行して、周期的な空気穴構造を崩して形成した欠陥導波路３ｂである。このような構造の遅延干渉部１１に、外部から入射した光信号を分波する第１のカプラ４ａ、分波した光信号間に１ｂｉｔの遅延を生じさせる光遅延部１２、遅延が生じた光信号を合波して干渉波とするとともに生じた干渉波を分離する第２のカプラ４ｂが形成される。ここで、第１のカプラ４ａと光遅延部１２は、上述した実施の形態１〜１１で説明したフォトニック結晶によって構成される光遅延回路に相当する。図１６には、実施の形態１で説明した幅の異なる２本の欠陥導波路３ａ，３ｂを有する場合が示されているので、第１のカプラ４ａで分波された光信号の間に１ｂｉｔの遅延が生じるように欠陥導波路３ａ，３ｂの幅が調整される。
【００６８】
光検出部２１は、遅延干渉部１１の欠陥導波路３ａ，３ｂの一方の端部の延長上に配置され、前記遅延干渉部１１の欠陥導波路３ａ，３ｂと接続される２連の導波路と、この導波路に設けられるフォトディテクタと、を有する導波路型フォトディテクタ２２を備えて構成される。導波路はたとえば従来公知の埋め込み型導波路としている。なお、フォトディテクタは、導波路から入力される光信号を検知できるように、導波路に接してｐｎ接合部分を設ける必要がある。通常、導波路とフォトディテクタは一体形成して、図１６に示されるように埋め込み型構造の導波路型フォトディテクタ２２とすることで、製造プロセスの簡略化を図ることができる。この場合には、導波路部分にもｐｎ接合が形成されている。
【００６９】
このような構成の集積光素子によれば、まず、遅延干渉部１１に光信号が入力されると、光信号が第１のカプラ４ａで２つの光信号に分波され、欠陥導波路３ａ，３ｂの光遅延部１２を導波中に分波された光信号間に１ｂｉｔ分の遅延が生じる。その後、２つの光信号が再び第２のカプラ４ｂで合波され、その時に生じる２つの干渉波が２つの欠陥導波路３ａ，３ｂに分波されて、遅延干渉部１１から出力される。光検出部２１の２つの導波路型フォトディテクタ２２には、それぞれの欠陥導波路３ａ，３ｂからの干渉波が入力され、電気信号に変換される。この時、１つの光信号を２つの実質的に同じ内容の干渉波で検出するので、遅延干渉部１１に入力された光信号を、感度を上げて受信することが可能となる。
【００７０】
なお、基板上に形成される埋め込み型の導波路型フォトディテクタ２２は公知であるので、その詳細な構造の説明を省略する。また、フォトディテクタにおけるｐｎ接合の境界に真性半導体層または非導電層を形成して、ｐ−ｉ−ｎ接合としてもよい。このようにｐ−ｉ−ｎ接合を形成することでフォトディテクタの接合容量を減らし、信号応答速度を速めることができる。
【００７１】
また、図１６では、集積光素子の遅延干渉部１１が実施の形態１に示される構成を有する場合を例に挙げて説明したが、実施の形態１〜１１に示される光遅延回路であれば、この集積光素子に適用することができる。さらに、図１６では、光検出部２１のフォトディテクタは埋め込み型の構成を有していたが、図１７に示されるように、リッジ型の導波路型フォトディテクタ２３としてもよい。
【００７２】
この実施の形態１２によれば、光遅延部１２を有する遅延干渉部１１を小さく構成することができるので、この遅延干渉部１１と光検出部２１を備える集積光素子１０もコンパクトに構築することが可能となる。
【００７３】
実施の形態１３．
実施の形態１２に示される集積光素子において、遅延干渉部１１と、複数のフォトディテクタを有する光検出部２１とを一括形成することで、集積光素子１０を一体にそしてコンパクトに構築することができる。これは集積光素子１０において、遅延干渉部１１と光検出部２１とは同じ半導体材料で構成することができるので、同一基板上に遅延干渉部１１と光検出部２１とを一体形成することも可能となる。たとえば、図１に示されるように２次元フォトニック結晶スラブ構造を有する遅延干渉部１１も、埋め込み型またはリッジ型導波路構造を有する光検出部２１もともに、基板上に下クラッド層、コア層、上クラッド層を積層してなる構造を有するので、遅延干渉部１１の欠陥導波路３ａ，３ｂの延長上に光検出部２１の導波路構造を形成することで、両者の導波路部分の接合を精度よく行うことができる。このとき、埋め込み型またはリッジ型導波路のもう一方の端部にフォトディテクタが形成される。
【００７４】
ここで、集積光素子１０を一体形成する場合の製造方法の一例を説明する。ここでは、基板としてＩｎＰを用い、光遅延回路１と光検出部２１を構成する材料としてＩｎＧａＡｓＰを用いる場合を例に挙げる。図１８−１〜図１８−７は、集積光素子の製造方法を模式的に示す断面図である。これらの図において、遅延干渉部１１と光検出部２１とを横切る方向の断面を示している。
【００７５】
最初に、図１８−１に示されるＩｎＰの基板６の光検出部を形成する領域（以下、光検出部形成領域という）ＲPDとなる部分をエッチングして、基板断面に段差を設ける（図１８−２）。ついで、ＩｎＰの基板６の上側の面に、上述した工程で設けた段差がなくなるまでＩｎＧａＡｓＰの薄膜６ａを成長させた後、エッチングしていない箇所、すなわち遅延干渉部１１が形成される領域（以下、遅延干渉部形成領域という）ＲPCの基板表面が現れるまで薄膜表面を削り取り（図１８−３）、基板６の表面を平坦化させる。なお、段差を設けた光検出部形成領域ＲPDにＩｎＧａＡｓＰの薄膜６ａを成長させた際に、光検出部形成領域ＲPDと遅延干渉部形成領域ＲPCの表面がほぼ平坦となっている場合には、遅延干渉部形成領域ＲPCの基板表面が現れるまで薄膜表面を削り取る必要はない。
【００７６】
つぎに、基板６の表面全体にＩｎＧａＡｓＰ薄膜によって下クラッド層５ｂ、コア層５ａ、遅延干渉部形成領域ＲPCに形成するスラブ層５の上クラッド層５ｃとなる材料やエッチングストップ層、光検出部２１の導波路２２の形成に使用される上クラッド層などを含む上クラッド層５ｄを順に形成し、光検出部２１における導波路型フォトディテクタ２２を形成する（図１８−４）。また、遅延干渉部形成領域ＲPCにおいてスラブ層５の厚さがサブミクロンオーダとなるように遅延干渉部形成領域ＲPCの上クラッド層５ｄをウエットエッチングなどでエッチングして、スラブ層５を形成する（図１８−５）。その後、遅延干渉部１１が形成される領域ＲPCでは実施の形態１で説明したようにフォトリソグラフィとエッチングによって周期的な構造に対して導入する線状の欠陥を有する空気穴構造を、スラブ層５を貫通するように形成する（図１８−６）。
【００７７】
そして、遅延干渉部形成領域ＲPCの下部に存在する基板６をエッチングにより除去して、空洞を形成する（図１８−７）。たとえば、塩酸（ＨＣｌ）はＩｎＰをよく溶かすがＩｎＧａＡｓＰは溶かさない性質があるので、集積光素子を塩酸に所定時間浸すことによって、遅延干渉部１１に形成された穴２から流れ込む塩酸で遅延干渉部形成領域ＲPCの下部の基板６をエッチングして、基板６内部を空洞にすることができる。このとき、光検出部形成領域ＲPDでは基板６がＩｎＧａＡｓＰの薄膜６ａで構成されているので、基板内部におけるＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰとの境界部分において、塩酸によって横方向にＩｎＰがエッチングされても、ＩｎＧａＡｓＰの薄膜６ａはエッチングされない。以上のようにして、遅延干渉部１１と光検出部２１とを一体に製造することが可能となる。
【００７８】
このように、薄膜層をＩｎＧａＡｓＰで形成し、下側基板をＩｎＰで形成すれば、塩酸を用いて薄膜層下部をウエットエッチングでアンダカットでき、遅延干渉部形成領域ＲPCのみにスラブ構造を形成することができる。しかし、光検出部２１は同様のアンダカットを行なう必要はないため、両者を一括形成するためには両者の境界垂直壁がＩｎＧａＡｓＰで形成されていればよい。また、光検出部２１の上面はマスクで覆ってしまえば上方からのウエットエッチングも防げる。この構成により容易にフォトニック結晶構造を有する遅延干渉部１１と光検出部２１を一括形成することができる。
【００７９】
この実施の形態１３によれば、同一基板上に、フォトニック結晶構造を有する遅延干渉部１１と、導波路型フォトディテクタを有する光検出部２１とを一体形成するように構成したので、両者を別々に作製したときに必要であった遅延干渉部１１の欠陥導波路３ａ，３ｂと光検出部２１の導波路型フォトディテクタ２２との位置合わせが不要となるという効果を有する。また、製造工程で遅延干渉部１１と光検出部２１とが同時に形成され、共通する構造を有する場合には工程の省略化を行うことができるので、両者をそれぞれ単独で作製後に接合する場合に比して歩留まりがよくなり、安価に光機能素子を製造することができるという効果を有する。また、基板をＩｎＰとし、薄膜層をＩｎＧａＡｓＰとした場合に、遅延干渉部１１と光検出部２１との基板内部での境界をＩｎＧａＡｓＰとすることによって、遅延干渉部１１下部の基板材料を塩酸によって除去し、光検出部２１下部の基板材料を除去しないようにして、遅延干渉部１１のみを薄膜スラブ構造とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
以上のように、この発明にかかる光遅延回路は、光通信において時分割多重を行なう光機能素子に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】この発明による光遅延回路の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２−１】２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光遅延回路の製造方法の一例を示す図である（その１）。
【図２−２】２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光遅延回路の製造方法の一例を示す図である（その２）。
【図２−３】２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光遅延回路の製造方法の一例を示す図である（その３）。
【図２−４】２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光遅延回路の製造方法の一例を示す図である（その４）。
【図２−５】２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光遅延回路の製造方法の一例を示す図である（その５）。
【図３】２次元スラブフォトニック結晶構造における欠陥導波路の規格化したバンド構造を示す図である。
【図４】光遅延回路の三角格子周期穴構造が形成される面内の状態を模式的に示す図である。
【図５】基板を含めた光遅延回路の実施の形態２の断面構造の一例を模式的に示す図である。
【図６】基板を含めた光遅延回路の実施の形態３の断面構造の一例を模式的に示す図である。
【図７】光遅延回路の実施の形態５の構成の一例を示す一部平面図である。
【図８】図７の光遅延回路におけるバンド構造図である。
【図９】光遅延回路の実施の形態６の構成の一例を示す平面図である。
【図１０】図９の光遅延回路におけるバンド構造図である。
【図１１】光遅延回路において導波路部分の組成を変化させた場合のバンド構造図である。
【図１２】光遅延回路の実施の形態８の構成の一例を示す斜視図である。
【図１３】光遅延回路の実施の形態９の構成の一例を示す斜視図である。
【図１４】光遅延回路の実施の形態１０の構成の一例を示す斜視図である。
【図１５】０次と１次の導波モードをフォトニックバンドギャップに挿入したバンド構造図である。
【図１６】光遅延回路を用いた集積光素子の構造を模式的に示す斜視図である。
【図１７】集積光素子の光検出部がリッジ型の導波路型フォトディテクタである場合の構造を模式的に示す斜視図である。
【図１８−１】集積光素子を一体形成する場合の製造方法の一例を示す図である（その１）。
【図１８−２】集積光素子を一体形成する場合の製造方法の一例を示す図である（その２）。
【図１８−３】集積光素子を一体形成する場合の製造方法の一例を示す図である（その３）。
【図１８−４】集積光素子を一体形成する場合の製造方法の一例を示す図である（その４）。
【図１８−５】集積光素子を一体形成する場合の製造方法の一例を示す図である（その５）。
【図１８−６】集積光素子を一体形成する場合の製造方法の一例を示す図である（その６）。
【図１８−７】集積光素子を一体形成する場合の製造方法の一例を示す図である（その７）。
【図１９】光遅延線を用いた光信号時分割多重伝送系の構成の従来例を示す図である。
【図２０】差動位相変調受信デバイスの構造の従来例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１，１ａ 光遅延回路
２ 空気穴
３ａ，３ｂ 欠陥導波路
３ｃ 点欠陥
４ａ，４ｂ 合分波部
５ コア層
６ 下クラッド層
７ 上クラッド層
８ スラブ層
９ 基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶の周期的な屈折率分布構造に対して導入される線状の欠陥によって形成される欠陥導波路が複数並列に配置されてなる光遅延回路であって、
前記欠陥導波路は、
前記欠陥導波路間の距離が近接して配置され、光の合分波を行う合分波部と、
前記合分波部から分岐し、前記欠陥導波路中を伝送する光が互いに干渉しない前記欠陥導波路間の距離を有して配置される光遅延部と、
を備え、前記複数の欠陥導波路間の構成を異ならせることを特徴とする光遅延回路。
【請求項２】
前記光遅延部は、前記複数の欠陥導波路間で互いに幅の異なることを特徴とする請求項１に記載の光遅延回路。
【請求項３】
前記フォトニック結晶は、周期的な空気穴構造が形成される薄膜スラブ構造を有し、上下両面が前記フォトニック結晶よりも屈折率の低い誘電体で挟まれることを特徴とする請求項２に記載の光遅延回路。
【請求項４】
前記フォトニック結晶は、コア層の上下両面を前記コア層よりも屈折率の低いクラッド層で挟んだ構造を有することを特徴とする請求項２に記載の光遅延回路。
【請求項５】
前記フォトニック結晶は、周期的な空気穴構造が形成される薄膜スラブ構造を有し、
一方の欠陥導波路中の前記光遅延部の周囲の領域に形成される空気穴構造の格子周期を他の領域に形成される空気穴構造の格子周期と異ならせることを特徴とする請求項１に記載の光遅延回路。
【請求項６】
前記フォトニック結晶は、周期的な空気穴構造が形成される薄膜スラブ構造を有し、
一方の欠陥導波路中の前記光遅延部の周囲の領域に形成される空気穴構造の空気穴径を他の領域に形成される空気穴構造の空気穴径と異ならせることを特徴とする請求項１に記載の光遅延回路。
【請求項７】
前記複数の欠陥導波路は、互いに異なる屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の光遅延回路。
【請求項８】
一方の欠陥導波路は、この欠陥導波路に近接して１つ以上の点欠陥を有することを特徴とする請求項１に記載の光遅延回路。
【請求項９】
前記フォトニック結晶は、上下両面が前記フォトニック結晶よりも屈折率の低い誘電体で挟まれることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１つに記載の光遅延回路。
【請求項１０】
光遅延回路の端部に形成される前記合分波部の導波路幅は、外部の結合光学系からの光の入射効率を高めるように広げて形成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の光遅延回路。
【請求項１１】
前記複数の欠陥導波路の合分波部は、外部の結合光学系からの光が前記複数の欠陥導波路に同時に入射するように近接して、光遅延回路の端部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光遅延回路。
【請求項１２】
前記複数の欠陥導波路は、直線状に形成され、光が互いに干渉する距離をおいて互いに平行に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光遅延回路。
【請求項１３】
前記複数の欠陥導波路は、異なる導波モードの光が伝播するように形成されることを特徴とする請求項１に記載の光遅延回路。
【請求項１４】
前記フォトニック結晶は、周期的な空気穴構造が形成される薄膜スラブ構造を有し、前記光遅延部の欠陥導波路の幅を異ならせること、一方の欠陥導波路中の前記光遅延部の周囲に形成される空気穴構造の格子周期を他の領域に形成される空気穴構造の格子周期と異ならせること、一方の欠陥導波路中の前記光遅延部の周囲に形成される空気穴構造の空気穴径を他の領域に形成される空気穴構造の空気穴径と異ならせること、または、前記複数の欠陥導波路間で互いに屈折率を異ならせることのいずれかを組み合わせて形成される欠陥導波路を有することを特徴とする請求項１に記載の光遅延回路。
【請求項１５】
２つの欠陥導波路間に１ｂｉｔの遅延が生じるように前記光遅延部を形成した請求項１〜１３のいずれか１つに記載の光遅延回路と、遅延が生じた前記光信号を合波するとともに合波したときの干渉波を分波する合分波部とを有する遅延干渉部と、
前記遅延干渉部の欠陥導波路と接続され、前記欠陥導波路からの光を伝播させる導波路と、該導波路を伝播してきた光を検出するフォトディテクタとを含んで構成される導波路型フォトディテクタを有する光検出部と、
を備えることを特徴とする集積光素子。
【請求項１６】
前記遅延干渉部と前記光検出部は、同一基板上に一括形成されることを特徴とする請求項１５に記載の集積光素子。
【請求項１７】
前記光検出部の導波路は、ｐ−ｉ−ｎ構造を有することを特徴とする請求項１５または１６に記載の集積光素子。
【請求項１８】
前記光検出部の導波路は、上下に厚みのあるバルク構造を有することを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１つに記載の集積光素子。
【請求項１９】
前記基板の前記遅延干渉部が形成される領域と前記光検出部が形成される領域との境界部分は、エッチング処理による耐性の高い材料によって構成されることを特徴とする請求項１５〜１８のいずれか１つに記載の集積光素子。
【請求項２０】
フォトニック結晶の周期的な屈折率分布構造に対して導入される線状の欠陥によって形成される欠陥導波路が複数並列に配置され、この欠陥導波路に合分波部を有してなる遅延干渉部と、該遅延干渉部の欠陥導波路と接続され、該欠陥導波路からの光を検出するフォトディテクタを含んで構成される光検出部と、を備える集積光素子の製造方法であって、
エッチング処理が容易な材料で構成される基板において前記遅延干渉部の形成領域と前記光検出部の形成領域との境界部分にエッチング処理に対する耐性の高い材料を形成し、この基板上に前記遅延干渉部と前記光検出部を一体形成した後に、前記遅延干渉部の下部に存在する基板をエッチング処理によって除去することを特徴とする集積光素子の製造方法。
【請求項１】
フォトニック結晶の周期的な屈折率分布構造に対して導入される線状の欠陥によって形成される欠陥導波路が複数並列に配置されてなる光遅延回路であって、
前記欠陥導波路は、
前記欠陥導波路間の距離が近接して配置され、光の合分波を行う合分波部と、
前記合分波部から分岐し、前記欠陥導波路中を伝送する光が互いに干渉しない前記欠陥導波路間の距離を有して配置される光遅延部と、
を備え、前記複数の欠陥導波路間の構成を異ならせることを特徴とする光遅延回路。
【請求項２】
前記光遅延部は、前記複数の欠陥導波路間で互いに幅の異なることを特徴とする請求項１に記載の光遅延回路。
【請求項３】
前記フォトニック結晶は、周期的な空気穴構造が形成される薄膜スラブ構造を有し、上下両面が前記フォトニック結晶よりも屈折率の低い誘電体で挟まれることを特徴とする請求項２に記載の光遅延回路。
【請求項４】
前記フォトニック結晶は、コア層の上下両面を前記コア層よりも屈折率の低いクラッド層で挟んだ構造を有することを特徴とする請求項２に記載の光遅延回路。
【請求項５】
前記フォトニック結晶は、周期的な空気穴構造が形成される薄膜スラブ構造を有し、
一方の欠陥導波路中の前記光遅延部の周囲の領域に形成される空気穴構造の格子周期を他の領域に形成される空気穴構造の格子周期と異ならせることを特徴とする請求項１に記載の光遅延回路。
【請求項６】
前記フォトニック結晶は、周期的な空気穴構造が形成される薄膜スラブ構造を有し、
一方の欠陥導波路中の前記光遅延部の周囲の領域に形成される空気穴構造の空気穴径を他の領域に形成される空気穴構造の空気穴径と異ならせることを特徴とする請求項１に記載の光遅延回路。
【請求項７】
前記複数の欠陥導波路は、互いに異なる屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の光遅延回路。
【請求項８】
一方の欠陥導波路は、この欠陥導波路に近接して１つ以上の点欠陥を有することを特徴とする請求項１に記載の光遅延回路。
【請求項９】
前記フォトニック結晶は、上下両面が前記フォトニック結晶よりも屈折率の低い誘電体で挟まれることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１つに記載の光遅延回路。
【請求項１０】
光遅延回路の端部に形成される前記合分波部の導波路幅は、外部の結合光学系からの光の入射効率を高めるように広げて形成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の光遅延回路。
【請求項１１】
前記複数の欠陥導波路の合分波部は、外部の結合光学系からの光が前記複数の欠陥導波路に同時に入射するように近接して、光遅延回路の端部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光遅延回路。
【請求項１２】
前記複数の欠陥導波路は、直線状に形成され、光が互いに干渉する距離をおいて互いに平行に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光遅延回路。
【請求項１３】
前記複数の欠陥導波路は、異なる導波モードの光が伝播するように形成されることを特徴とする請求項１に記載の光遅延回路。
【請求項１４】
前記フォトニック結晶は、周期的な空気穴構造が形成される薄膜スラブ構造を有し、前記光遅延部の欠陥導波路の幅を異ならせること、一方の欠陥導波路中の前記光遅延部の周囲に形成される空気穴構造の格子周期を他の領域に形成される空気穴構造の格子周期と異ならせること、一方の欠陥導波路中の前記光遅延部の周囲に形成される空気穴構造の空気穴径を他の領域に形成される空気穴構造の空気穴径と異ならせること、または、前記複数の欠陥導波路間で互いに屈折率を異ならせることのいずれかを組み合わせて形成される欠陥導波路を有することを特徴とする請求項１に記載の光遅延回路。
【請求項１５】
２つの欠陥導波路間に１ｂｉｔの遅延が生じるように前記光遅延部を形成した請求項１〜１３のいずれか１つに記載の光遅延回路と、遅延が生じた前記光信号を合波するとともに合波したときの干渉波を分波する合分波部とを有する遅延干渉部と、
前記遅延干渉部の欠陥導波路と接続され、前記欠陥導波路からの光を伝播させる導波路と、該導波路を伝播してきた光を検出するフォトディテクタとを含んで構成される導波路型フォトディテクタを有する光検出部と、
を備えることを特徴とする集積光素子。
【請求項１６】
前記遅延干渉部と前記光検出部は、同一基板上に一括形成されることを特徴とする請求項１５に記載の集積光素子。
【請求項１７】
前記光検出部の導波路は、ｐ−ｉ−ｎ構造を有することを特徴とする請求項１５または１６に記載の集積光素子。
【請求項１８】
前記光検出部の導波路は、上下に厚みのあるバルク構造を有することを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１つに記載の集積光素子。
【請求項１９】
前記基板の前記遅延干渉部が形成される領域と前記光検出部が形成される領域との境界部分は、エッチング処理による耐性の高い材料によって構成されることを特徴とする請求項１５〜１８のいずれか１つに記載の集積光素子。
【請求項２０】
フォトニック結晶の周期的な屈折率分布構造に対して導入される線状の欠陥によって形成される欠陥導波路が複数並列に配置され、この欠陥導波路に合分波部を有してなる遅延干渉部と、該遅延干渉部の欠陥導波路と接続され、該欠陥導波路からの光を検出するフォトディテクタを含んで構成される光検出部と、を備える集積光素子の製造方法であって、
エッチング処理が容易な材料で構成される基板において前記遅延干渉部の形成領域と前記光検出部の形成領域との境界部分にエッチング処理に対する耐性の高い材料を形成し、この基板上に前記遅延干渉部と前記光検出部を一体形成した後に、前記遅延干渉部の下部に存在する基板をエッチング処理によって除去することを特徴とする集積光素子の製造方法。
【図１】
【図２−１】
【図２−２】
【図２−３】
【図２−４】
【図２−５】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８−１】
【図１８−２】
【図１８−３】
【図１８−４】
【図１８−５】
【図１８−６】
【図１８−７】
【図１９】
【図２０】
【図２−１】
【図２−２】
【図２−３】
【図２−４】
【図２−５】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８−１】
【図１８−２】
【図１８−３】
【図１８−４】
【図１８−５】
【図１８−６】
【図１８−７】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００６−３９０１８（Ｐ２００６−３９０１８Ａ）
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２１５６４８（Ｐ２００４−２１５６４８）
【出願日】平成１６年７月２３日（２００４．７．２３）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月２３日（２００４．７．２３）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
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