光集積回路
【課題】挿入損失の波長依存性、位相誤差を低減して、使用可能な波長範囲を拡大できる光集積回路を提供することにある。
【解決手段】入力導波路１１ａ，１１ｂ、出力導波路１２ａ，１２ｂ、マルチモード干渉型光導波路部１３からなる、任意の数の入出力導波路を有する光集積回路であって、所望の光の波長範囲に対して、入力導波路１１ａ，１１ｂ、出力導波路１２ａ，１２ｂの少なくともどちらか一つの部分の導波路幅が光の伝搬方向に沿って変化し、前記入力導波路、前記出力導波路中の任意の点において、前記入力導波路の入力端からの入力フィールドの順伝搬のフィールドの波面と、前記出力導波路の出力端からの出力フィールドの逆伝搬させたフィールドの波面とが一致するように変動している。
【解決手段】入力導波路１１ａ，１１ｂ、出力導波路１２ａ，１２ｂ、マルチモード干渉型光導波路部１３からなる、任意の数の入出力導波路を有する光集積回路であって、所望の光の波長範囲に対して、入力導波路１１ａ，１１ｂ、出力導波路１２ａ，１２ｂの少なくともどちらか一つの部分の導波路幅が光の伝搬方向に沿って変化し、前記入力導波路、前記出力導波路中の任意の点において、前記入力導波路の入力端からの入力フィールドの順伝搬のフィールドの波面と、前記出力導波路の出力端からの出力フィールドの逆伝搬させたフィールドの波面とが一致するように変動している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光デバイスに関し、より詳しくは、光パワースプリッタ、波長合分波器などの光集積回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の光通信の利用の爆発的な広がりの中で、通信容量増加の要求に対応するために、光の波長ごとに情報を乗せる、波長分割多重技術（Wavelength division multiplexing ： ＷＤＭ）が導入された。ＷＤＭにおいては、例えば、信号を乗せた各波長の光を合波、または分波するための光デバイスが必要であるが、一般に、そうしたデバイスはその性能に波長依存性をもつために、限られた波長の範囲でしか使用できない。しかし、近年の爆発的な通信容量の増加に伴い、使用する光の波長範囲は拡大する一方であり、こうした光デバイスの使用波長範囲を広げることに対する要求が非常に高まっている。
【０００３】
このような光合分波などの機能を実現する方法はいくつかあるが、代表的なものに平面光波回路（Planar lightwave circuit：ＰＬＣ）を用いるものがある。ＰＬＣでは、平面状の基板に、フォトリソグラフィなどによるパターニングと、エッチング加工により、光導波路を用いた複数の基本的な光回路（例えば、方向性結合器、マッハ・ツェンダー干渉計など）を組み合わせることで各種の機能を実現する。
【０００４】
そのような基本的な光回路のなかでも、マルチモード干渉型光導波路（Multi-mode interference waveguide:ＭＭＩ）を用いた光回路は、その製造トレランスの強さ、波長依存性の少なさから広く用いられている。ＭＭＩ光回路は一般に、任意の数の入出力導波路と、導波路幅の広いマルチモード干渉導波路（ＭＭＩ部）からなり、入力導波路から入射された光は、ＭＭＩ部で複数の導波モードに展開され、そのモード間での干渉を利用して、光の合分波などの機能を実現することができ、ＭＭＩ単体、もしくは複数のＭＭＩを用いた光合分波回路が実現されている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】L.B. Soldano and E.C.M. Pennings, "Optical Multi-Mode Interference Devices Based on Self-Imaging: Principles and Applications", IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 13, No.4, pp.615-627, Apr. 1995.
【非特許文献２】Y. Sakamaki, T. Saida, T. Hashimoto, and H. Takahashi, "New Optical Waveguide Design Based on Wavefront Matching Method", IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 25, No.11, pp.3511-3518, Nov. 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＭＭＩを用いた光回路の一つの強みは、マルチモード干渉部が幅広の導波路で形成されるために、波長依存性が小さくなることにあるが、それは同時に、その性能を変化させにくいということでもある。例えば波長依存性に着目した場合、マルチモード干渉部の構造が決定してしまえば、その波長依存性を更に低減するということは困難である。このため、ＷＤＭ技術の導入により、要求される波長範囲が拡大される中で、ＭＭＩを用いる光回路の使用波長範囲が制限されることになる。
【０００７】
以上のことから、本発明は上述したような課題を解決するために為されたものであって、挿入損失の波長依存性、位相誤差を低減して、使用可能な波長範囲を拡大できる光集積回路を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述した課題を解決する本発明に係る光集積回路は、入力導波路、出力導波路、マルチモード干渉型光導波路部からなる、任意の数の入出力導波路を有する光集積回路であって、所望の光の波長範囲に対して、前記入力導波路、前記出力導波路の少なくともどちらか一つの部分の導波路幅が光の伝搬方向に沿って変化し、前記入力導波路、前記出力導波路中の任意の点において、前記入力導波路の入力端からの入力フィールドの順伝搬のフィールドの波面と、前記出力導波路の出力端からの出力フィールドの逆伝搬させたフィールドの波面とが一致するように変動していることを特徴とする。
【０００９】
また、前述した課題を解決する本発明に係る光集積回路は、入力導波路、出力導波路、マルチモード干渉型光導波路部からなる、任意の数の入出力導波路を有する光集積回路であって、前記マルチモード干渉型光導波路部の部分の導波路幅が光の伝搬方向に沿って変化し、所望の光の波長範囲に対して、当該マルチモード干渉型光導波路部の後端部での集光位置を均一化するように変動していることを特徴とする。
【００１０】
また、前述した課題を解決する本発明に係る光集積回路は、上述した光集積回路において、前記入力導波路および前記出力導波路の長さを１０〜２００μｍとすることを特徴とする。
【００１１】
また、前述した課題を解決する本発明に係る光集積回路は、上述した光集積回路において、前記導波路部の変化量は、光の伝搬方向１μｍあたり最大±０．１μｍであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る光集積回路によれば、従来の光集積回路と同工程で作製可能でありながら、挿入損失の波長依存性、位相誤差を低減して、使用波長領域を大幅に拡大できるため、光通信の更なる普及に大きな効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施例に係る光集積回路の模式図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る光集積回路が具備する導波路の説明図である。
【図３】従来の２×２ＭＭＩ光回路の特性図であって、図３（ａ）に挿入損失スペクトルを示し、図３（ｂ）に出力導波路での界分布を示す。
【図４】本発明の第１の実施例に係る光集積回路の説明図であって、図４（ａ）に入力導波路の幅のみを変調したＭＭＩ光回路の挿入損失スペクトルを示し、図４（ｂ）に出力導波路の幅のみを変調したＭＭＩ光回路の挿入損失スペクトルを示す。
【図５】本発明の第１の実施例に係る光集積回路の説明図であって、図５（ａ）に入出力導波路の幅を変調したＭＭＩ光回路の挿入損失スペクトルを示し、図５（ｂ）に出力導波路での界分布を示す。
【図６Ａ】本発明の第１の実施例に係る光集積回路が具備する第１の入力導波路の導波路形状を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の第１の実施例に係る光集積回路が具備する第１の出力導波路の導波路形状を示す図である。
【図７Ａ】本発明の第１の実施例に係る光集積回路による挿入損失スペクトルを示すグラフである。
【図７Ｂ】本発明の第１の実施例に係る光集積回路が具備するＭＭＩ部の導波路形状を示す図である。
【図７Ｃ】本発明の第１の実施例に係る光集積回路における、ＭＭＩ部の幅のみを変調した場合の集光位置自乗誤差を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施例に係る光集積回路の模式図である。
【図９Ａ】本発明の第２の実施例に係る光集積回路の全体を示す図である。
【図９Ｂ】本発明の第２の実施例に係る光集積回路が具備する第２の入力導波路を示す図である。
【図９Ｃ】本発明の第２の実施例に係る光集積回路が具備するＭＭＩ部を示す図である。
【図９Ｄ】本発明の第２の実施例に係る光集積回路が具備する第２の出力導波路を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施例に係る光集積回路の特性を説明するための図であって、図１０（ａ）に従来構造のＭＭＩ光回路の損失スペクトルを示し、図１０（ｂ）に導波路幅変調を行ったＭＭＩ光回路の損失スペクトルを示す。
【図１１】本発明の第３の実施例に係る光集積回路の模式図である。
【図１２】本発明の第４の実施例に係る光集積回路の模式図である。
【図１３】本発明の第５の実施例に係る光集積回路の模式図である。
【図１４】本発明の第６の実施例に係る光集積回路の模式図である。
【図１５】本発明の第７の実施例に係る光集積回路の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明に係る光集積回路を実施するための形態について、各実施例にて具体的に説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明の第１の実施例に係る光集積回路について、図１〜図７を参照して具体的に説明する。
【００１６】
本実施例に係る光集積回路は、図１に示すように、２×２ＭＭＩ光回路であって、導波路長Ｌinであり導波路幅Ｗinである２本の入力導波路１１ａ，１１ｂ、導波路長Ｌoutであり導波路幅Ｗoutである２本の出力導波路１２ａ，１２ｂ、ＭＭＩ部導波路長ＬMMIでありＭＭＩ部導波路幅ＷMMIであるマルチモード干渉導波路（ＭＭＩ部）１３を備える。
【００１７】
入出力導波路１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの具体的な構造を図２に示す。導波路は、図２に示すように、ｎ型のＩｎＰ基板１、ＩｎＰ下部クラッド層２、厚さ０．３μｍのＩｎＧａＡｓＰコア層３、ｐ型のＩｎＰ上部クラッド層４、及び、空気クラッド５で構成される。下部クラッド層２は基板１上に設けられる。コア層３は下部クラッド層２上に設けられる。上部クラッド層４はコア層３上に設けられる。下部クラッド層２、コア層３、上部クラッド層４は、同一幅であって、基板１よりも幅狭に形成される。つまり、下部クラッド層２、コア層３、および上部クラッド層４の両側が、空気クラッド５をなしている。コア層３はフォトルミネッセンス（ＰＬ）ピーク波長で１．３μｍ付近の光を発光するような組成となっており、基板１に格子整合している。
【００１８】
次に、本実施例に係る光集積回路の製造方法を説明する。
まず、ｎ型のＩｎＰ基板上に、コア層３、上部クラッド層４を成長させる。フォトリソグラフィにより、図１に示すようなパターンを形成し、ドライエッチングにより基板１まで図２に示すようにエッチングをすることで、下部クラッド層２を含む、いわゆるハイメサ導波路構造を形成する。導波路メサの高さ（上部クラッド層から下部クラッド層までの高さ）には任意性があるが、光が閉じ込められるように十分に深くエッチングする必要がある。バーへき開をした後に両端面に無反射コーティングを施し、チップへき開をして完成となる。無反射コーティングを実現する方法はいくつかあるが、ここではＴｉＯ2とＳｉＯ2の多層膜をレーザ端面に堆積した。
【００１９】
図３（ａ）に、従来の光集積回路である２×２ＭＭＩ光回路において、入出力導波路幅Ｗin＝Ｗout=２μｍ、ＭＭＩ部導波路幅ＷMMI＝１２μｍ、入出力導波路間隔ｄcore＝４μｍ、入出力導波路長Ｌin＝Ｌout＝６０μｍ、ＭＭＩ部導波路長ＬMMI＝２００μｍ、入出力導波路をＭＭＩ部の中心に対して対称に配置した場合の挿入損失スペクトルをビーム伝搬法（Beam propagation method：ＢＰＭ）によるシミュレーションによって算出したものを示す。本実施例では、通信波長帯のＣバンド、Ｌバンド（１．５２μｍ〜１．６２μｍ）での使用を想定して、その中心である１．５７μｍ付近で損失が最も小さくなるように構造パラメータを設計している。図３（ａ）から、通信波長帯のＣバンド、Ｌバンド（１．５２μｍ〜１．６２μｍ）の端のほうでは損失が急激に増加しており、使用波長範囲は限定されてしまうのがわかる。例えば、挿入損失が０．２ｄＢ以下になる波長範囲は、１．５５μｍ〜１．６１μｍ程度であり、その他の波長範囲で使用するには、別設計のＭＭＩ光回路を用いるしかない。この波長依存性は主に、導波路内伝搬定数、モードフィールドの波長依存性から生じるＭＭＩ導波路内部での集光位置の波長依存性から生じている。波長ごとに集光位置が異なると、それぞれの波長での最適なＭＭＩ部の長さが変わることになり、最適な長さからずれている波長に関しては、放射損失が増すことになる。また、ＭＭＩ導波路内部においては、複数の導波モードが励起されるが、あまりに高次のモードの励起パワーが大きいと、ＭＭＩ後端部での界分布が乱れ、出力導波路にうまく結合せず、損失が増すことになる。図３（ｂ）に出力導波路での波長１．５２μｍでの光の断面界分布を示す。図中横軸は図１において、ＷMMIと平行な方向を表す。また、出力導波路が始まる部分を０μｍとして、４０μｍまでの伝搬波形をプロットしている。図３（ｂ）から、ＭＭＩ内部で高次モードが励振され、複数の大きなピークを有する界分布となっていることがわかる。
【００２０】
導波路構造、幅などを変えることで特性を多少変化させることは可能だが、ＭＭＩ部は導波路幅が広く、波長依存性小さいので、構造を変えたとしても波長依存性の大きな低減は見込めない。そこで本発明では、従来一定であった入出力導波路幅を変調することにより、ＭＭＩ部入力部、出力部での界分布を変調することで、ＭＭＩ部内部での集光位置を補正し、なおかつ、ＭＭＩ部での高次モードの励振を抑制することにより、出力導波路での放射損失を低減することで、損失を低減している。導波路幅の具体的な形状を算出するために、ここでは波面整合法（Wavefront matching method：ＷＦＭ）を用いる。ＷＦＭは、ある入出力をもつ光回路に対して、入力側から伝搬していく光と、出力側から伝搬していく光の波面を整合させるように屈折率分布を決定することで、回路の透過率を最大化させる構造を算出するシミュレーション技法であり、ＳｉＯ2を材料に用いたＰＬＣ設計において大きな実績をもつ手法である（例えば、非特許文献２参照）。
【００２１】
具体的にＷＦＭを用いて、上記、損失の低減を目的とする導波路幅形状を算出するには、例えばＢＰＭを用いて、入力側、出力側からそれぞれ、所望のモードフィールドをもつ光を伝搬させ、回路の中央で、２つの光の波面が整合するように導波路の幅を変化させる。この手順を複数回反復することで、損失を低減する導波路幅形状を決定できる。
【００２２】
図４（ａ）に、２×２ＭＭＩ光回路の入力導波路の導波路幅のみを変調させた場合の透過スペクトルの計算値を示し、（ｂ）に２×２ＭＭＩ光回路の出力導波路の導波路幅のみを変調させた場合の透過スペクトルの計算値を示す。図４（ａ），（ｂ）から、従来構造（図３（ａ））の場合に比べて、損失が低くなり、透過特性が改善されていることがわかる。
【００２３】
また、図５（ａ）にＷＦＭによって算出した、入出力導波路の導波路幅を変調したＭＭＩ光回路の挿入損失スペクトルの計算値を示す。図５（ａ）から、波長１．５２μｍ、１．６２μｍ付近で損失が大幅に低減されていることがわかる。また、図５（ｂ）には、出力導波路での波長１．５２μｍでの光の断面界分布を示す。図５（ｂ）から、導波路幅の変調を行うことで、図３（ｂ）の従来構造の場合に比べ、高次モードの励振が抑制され、より、出力導波路の基本モードのフィールドに近づいていることがわかる。よって、図５（ａ）で示された損失低減の理由は、図５（ｂ）に示すように、入出力導波路幅を変調することで、ＭＭＩ部での高次モードの励振を抑制することによるものである。図６Ａに、図５の構造に対応する入力導波路の具体的な形状を示し、図６Ｂに、図５の構造に対応する出力導波路の具体的な形状を示す。図６Ａおよび図６Ｂにおいて、ドットで示す領域が導波路コアを示し、それ以外がクラッドを示す。ＭＭＩ部の導波路中心に対して対称構造のため、入力出力導波路それぞれ１本ずつの形状を示している。また、形状が良く見えるように導波路の端を拡大して図示している。図６Ａおよび図６Ｂから、導波路幅が非周期的に変調されていることがわかる。このような形状は通常構造と全く同様に、一般的なフォトリソグラフィを用いて作製可能であり、従来と同様の作製技術を用いて、波長依存性を大幅に改善できることがわかる。また、損失の波長依存性が小さいため、製造誤差に強いことも利点となる。また、このとき、入出力導波路長を６０μｍとしているが、他の長さであってももちろん構わない。しかし、短すぎればモードフィールドの変調が十分にできず、長すぎれば損失が大きくなるため、１０μｍ〜２００μｍとするのが良い。
【００２４】
図７Ａには、２×２ＭＭＩ光回路にて、入出力導波路に加え、ＭＭＩ部の導波路幅も変調した場合の損失スペクトルを示す。また図７ＢにＭＭＩ部の導波路形状を示す。図７Ｂにおいて、ドットで示す領域が導波路コアを示し、それ以外がクラッドを示す。入出力導波路ほど効果は大きくないが、更に損失の低減がなされているのがわかる。この理由を示すために、図７ＣにＭＭＩ部の導波路幅のみを変調した場合の、集光位置の自乗誤差を示す。図７Ｃにて、横軸はＷＦＭを適用する際の反復回数に相当する。図７Ｃにおいて、１つの入力導波路から入射し２つの出力導波路から出射する場合であって、点線が入力側の集光自乗誤差を示し、実線Ａが第１の出力導波路の集光自乗誤差を示し、実線Ｂが第２の出力導波路の集光自乗誤差を示す。自乗誤差は具体的に、以下に示す数式（１）により評価した。
【００２５】
【数１】
【００２６】
ここに、χ0（λi）は各波長に対応する集光位置、χcは損失が最も低くなる中心波長に対する集光位置、Ｎはサンプリングポイント数である。反復が進むごとに、自乗誤差は減少し、値が収束していくことがわかる。つまり、ＭＭＩ部の変調により、集光位置の波長依存性が緩和され、損失の低減がなされている。
【００２７】
よって、本実施例に係る光集積回路を用いることで、通常構造では、損失０．２ｄＢの帯域が、１．５５μｍ〜１．６１μｍ程度であったのに対し、本発明では、Ｃ，Ｌバンド全域（１．５２μｍ〜１．６２μｍ）で損失０．２ｄＢ以下となり、ほぼ２倍の帯域を得ることができる。ここで、図７Ｂにおける、ＭＭＩ部導波路の導波路幅の非周期的な変調は、光の伝搬方向（図７Ｂの横軸、ｚ方向）１μｍに対して、光の伝搬方向に垂直な方向（図７Ｂの縦軸、ｘ方向）への変化幅は、最大±０．１μｍである。これは、急激な光導波路幅の変調を禁止することで、波長依存性が滑らかとなり、再現性の優れた光回路を提供することができるからである。しかしながら、本発明は、この例に限定されるものではなく、より急峻な光導波路幅の変動があっても勿論構わない。
【００２８】
したがって、本実施例に係る光集積回路によれば、ＭＭＩ光回路に関して、製造方法は従来と同等でありながら、損失の波長依存性、位相誤差を大幅に低減して、使用波長領域を大幅に拡大することができる。
【実施例２】
【００２９】
本発明の第２の実施例に係る光集積回路について、図８〜図１０を参照して具体的に説明する。
本実施例では、上述した第１の実施例に係る光集積回路と同じものには同一符号を付記している。
【００３０】
本実施例に係る光集積回路は、図８に示すように、２×２ＭＭＩ光回路であって、入力導波路１１ａ，１１ｂとＭＭＩ部１３との間のそれぞれに設けられたテーパ導波路部２１ａ，２１ｂ、ＭＭＩ部１３と出力導波路１２ａ，１２ａとの間のそれぞれに設けられたテーパ導波路部２２ａ，２２ｂを備える。入力導波路１１ａ，１１ｂ側に設けられたテーパ導波路部２１ａ，２１ｂは、長さＬtaperであり、最終的な導波路幅Ｗtaperである。出力導波路１２ａ，１２ｂ側に設けられたテーパ導波路部２２ａ，２２ｂは、長さＬtaperであり、ＭＭＩ部１３側の導波路幅Ｗtaperである。その他のパラメータは、第１の実施例に係る光集積回路と同じである。テーパの形状はここでは直線テーパとしているが、他の形状でもかまわない。
【００３１】
上述の光集積回路の構造についても、ＷＦＭにより、入出力導波路、ＭＭＩ部の導波路幅変調を行った導波路形状を算出し、形状を決定する。その形状を図９を用いて説明する。図９は、本実施例に係る光集積回路において、Ｌtaper＝１０μｍ、Ｗtaper＝２．５μｍとした場合の、ＷＦＭにより算出した図であって、図９Ａにその全体構造を示し、図９Ｂに片方の入力導波路を示し、図９ＣにそのＭＭＩ部を示し、図９Ｄに片方の出力導波路の導波路幅形状を示す。図９Ａ〜Ｄにおいて、ドットで示す領域が導波路コアを示し、それ以外がクラッドを示す。本実施例においても、上述した第１の実施例に係る光集積回路と同様に、非周期的な導波路幅が変調されている。
【００３２】
図１０にＬtaper＝１０μｍ、Ｗtaper＝２．５μｍの場合の、実際に試作した構造の損失スペクトルの実験値を示す。図１０（ａ）が通常構造、図１０（ｂ）が入出力導波路、ＭＭＩ部の導波路幅を変調した構造に対するスペクトルである。図中には、製造誤差へのトレランスを示すために、故意に導波路形状のパラメータをシフトさせて作製した場合のスペクトルも示す。図から明らかに、導波路幅を変調した構造は、通常構造に比べて、損失の波長依存性が低減され、製造誤差にも強くなっていることがわかる。
【００３３】
以上のことから、本実施例に係る光集積回路によれば、上述した第１の実施例に係る光集積回路と同様、ＭＭＩ光回路に関して、製造方法は従来と同等でありながら、損失の波長依存性、位相誤差を大幅に低減して、使用波長領域を大幅に拡大することができる。
【実施例３】
【００３４】
本発明の第３の実施例に係る光集積回路について図１１を参照して具体的に説明する。
【００３５】
本実施例に係る光集積回路は、図１１に示すように、４×４ＭＭＩ光回路であって、第１〜第４の入力導波路３１ａ〜３１ｄ、第１〜第４の出力導波路３２ａ〜３２ｄ、ＭＭＩ部３３を備える。このような構造の光集積回路に対し、入出力導波路３１ａ〜３１ｄ，３２ａ〜３２ｄ、ＭＭＩ部３３の導波路幅は、それぞれＷＦＭにより算出した非周期的な形状に形成される。
【００３６】
以上のことから、本実施例に係る光集積回路によれば、上述した第１の実施例および第２の実施例に係る光集積回路と同様、広帯域の損失低減を実現することができる。
【実施例４】
【００３７】
本発明の第４の実施例に係る光集積回路について図１２を参照して具体的に説明する。
【００３８】
本実施例に係る光集積回路は、光９０度ハイブリッド回路であって、図１２に示すように、信号光が入力される第１の１×２ＭＭＩ光回路４２ａ、局発光が入力される第２の１×２ＭＭＩ光回路４２ｂ、第１の２×２ＭＭＩ光回路４３ａ、第２の２×２ＭＭＩ光回路４３ｂを備える。
【００３９】
第１の１×２ＭＭＩ光回路４２ａは、１つの入力導波路４１ａ、２つの出力導波路４４ａ，４４ｂを備える。第２の１×２ＭＭＩ光回路４２ｂは、１つの入力導波路４１ｂ、２つの出力導波路４５ａ，４５ｂを備える。出力導波路４４ａ，４５ｂは、それぞれ光路長差付与部分４８ａ，４８ｂを備える。
【００４０】
第１の２×２ＭＭＩ光回路４３ａは、２つの出力導波路４６ａ，４７ａを備える。第２の２×２ＭＭＩ光回路４３ｂは、２つの出力導波路４６ｂ，４７ｂを備える。
【００４１】
上述した構成の光集積回路、すなわち、光９０度ハイブリッド回路は、コヒーレント光通信の受信側において、信号光、局発光の位相差を光のパワーの差に変換する回路である。
【００４２】
本実施例においても、上述した実施例と同様に、導波路幅を非周期的に変調することで、広帯域にわたって損失を低減することが可能である。
【実施例５】
【００４３】
本発明の第５の実施例に係る光集積回路について図１３を参照して具体的に説明する。
【００４４】
本実施例に係る光集積回路は、光９０度ハイブリッド回路であって、図１３に示すように、信号光および局発光が入力される４×４ＭＭＩ光回路を備える。４×４ＭＭＩ光回路は、第１，第２，第３，第４の入力導波路５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ、第１，第２，第３，第４の出力導波路５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ、ＭＭＩ部５３を備える。第１の出力導波路５２ａは、光路長差付与部分５４を備える。第１〜第４の入力導波路５１ａ〜５１ｄ、第１〜第４の出力導波路５２ａ〜５２ｄ、ＭＭＩ部５３の導波路幅は、上述した実施例と同様に、それぞれ非周期的に変調されている。
【００４５】
本実施例においても、上述した実施例と同様に、導波路幅を非周期的に変調することで、広帯域にわたって損失を低減することが可能である。
【実施例６】
【００４６】
本発明の第６の実施例に係る光集積回路について図１４を参照して具体的に説明する。
【００４７】
本実施例に係る光集積回路は、図１４に示すように、波長可変レーザアレイであって、第１，第２，・・・，第１１，第１２の光源６１ａ，６１ｂ，・・・，６１ｋ，６１ｌのそれぞれに入力導波路が接続する１２×１ＭＭＩ光回路を備える。１２×１ＭＭＩ光回路は、第１，第２，・・・，第１１，第１２の入力導波路６２ａ，６２ｂ，・・・，６２ｋ、６２ｌ、ＭＭＩ部６３、出力導波路６４を備える。第１，第２，・・・，第１１，第１２の光源６１ａ，６１ｂ，・・・，６１ｋ，６１ｌは、それぞれ波長可変レーザであり、それぞれ並列に配置される。つまり、本実施例に係る光集積回路は、光源６１ａ〜６１ｌからの光出力を合波する。この光集積回路では，Ｃバンド全域の光の波長を１２個の光源６１ａ〜６１ｌから出力可能である。通常構造のＭＭＩ光回路では，Ｃバンド真中の波長で最も損失を低くするように設計した場合、Ｃバンドの端の波長では損失が大きくなるが、本実施例に係る光集積回路によるＭＭＩ光回路を用いることにより、Ｃバンドの端の波長に対しても低損失に光を合波することが可能である。
【実施例７】
【００４８】
本発明の第７の実施例に係る光集積回路について図１５を参照して具体的に説明する。
本実施例は、１００ギガビットイーサネット（登録商標）（１００ＧｂＥ）用モノリシック集積光源に適用したものである。
【００４９】
１００ＧｂＥ用光源では、規格で定められた４つの異なる波長に対してそれぞれ２５Ｇｂｉｔ／ｓで動作する光源が必要であるが、それらを個別に用いると、送信機のサイズが大きくなるため、小型化が強く望まれている。４つの光源を集積することによって小型化が可能であるが、その際には低損失な合波器が必要となる。そこで、本実施例に係る光集積回路では、４×４，４×１のＭＭＩ光回路を組み合わせた、いわゆるトランスバーサルフィルタを用いている。すなわち、光集積回路は、図１５に示すように、第１〜第４の光源７１ａ〜７１ｄのそれぞれに入力導波路７２ａ〜７２ｄのそれぞれが接続する４×４ＭＭＩ光回路７３、４×４ＭＭＩ光回路７３に接続する４×１ＭＭＩ光回路７５を備える。
４×４ＭＭＩ光回路７３は、４つの出力導波路７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄを備える。出力導波路７４ａ，７４ｂ，７４ｄは、それぞれ光路長差付与部分７７ａ，７７ｂ，７７ｃを備える。４×１ＭＭＩ光回路７５は、出力導波路７６を備える。
【００５０】
本実施例においても、上述した実施例と同様に、導波路幅を非周期的に変調することで、４つの波長に対して低損失な合波器を実現可能である。
【００５１】
なお、上記では、コア層の材料をＩｎＰ基板上に成長したＩｎＧａＡｓＰとしたが、これが他の材料、例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓでもＧａＩｎＮＡｓでも同じ効果を得ることができる。また、基板をＩｎＰとしているが、ＧａＡｓでもサファイア基板でもシリコン基板でも、他の半導体基板でも同様な効果を得ることができる。
【００５２】
また、上記では、素子が対象としている光の波長範囲が、１．５５μｍ付近の光の例のみを示しているが、他の波長帯、例えば、１．３μｍ付近の光に対しても同様の効果を得ることができる。
【００５３】
また、上記では、導波路の構造をハイメサ導波路構造としているが、いわゆるリッジ構造や埋め込み構造でも構わないし、クラッドは有機物などで埋めた構造とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明に係る光集積回路は、従来と同工程で作製可能でありながら、使用波長領域を大幅に拡大できるため、光通信産業等を始めとする各種産業において、極めて有益に利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ ＩｎＰ基板
２ ＩｎＰ下部クラッド層
３ ＩｎＧａＡｓＰコア層
４ ＩｎＰ上部クラッド層
５ 空気クラッド
１１ａ，１１ｂ 入力導波路
１２ａ，１２ｂ 出力導波路
１３ マルチモード干渉型導波路部（ＭＭＩ部）
２１ａ，２１ｂ テーパ導波路部
２２ａ，２２ｂ テーパ導波路部
３１ａ〜３１ｄ 入力導波路
３２ａ〜３２ｄ 出力導波路
３３ マルチモード干渉型導波路部（ＭＭＩ部）
４１ａ，４１ｂ 入力導波路
４２ａ，４２ｂ マルチモード干渉型導波路部（ＭＭＩ部）
４３ａ，４３ｂ マルチモード干渉型導波路部（ＭＭＩ部）
４４ａ，４４ｂ 出力導波路
４５ａ，４５ｂ 出力導波路
４６ａ，４６ｂ 出力導波路
４７ａ，４７ｂ 出力導波路
４８ａ，４８ｂ 光路長差付与部分
５１ａ〜５１ｄ 入力導波路
５２ａ〜５２ｄ 出力導波路
５３ マルチモード干渉型導波路部（ＭＭＩ部）
５４ 光路長差付与部分
６１ａ〜６１ｌ 光源
６２ａ〜６２ｌ 入力導波路
６３ マルチモード干渉型導波路部（ＭＭＩ部）
６４ 出力導波路
７１ａ〜７１ｄ 光源
７２ａ〜７２ｄ 入力導波路
７３ マルチモード干渉型導波路部（ＭＭＩ部）
７４ａ〜７４ｄ 出力導波路
７５ マルチモード干渉型導波路部（ＭＭＩ部）
７６ 出力導波路
７７ａ〜７７ｃ 光路長差付与部分
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光デバイスに関し、より詳しくは、光パワースプリッタ、波長合分波器などの光集積回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の光通信の利用の爆発的な広がりの中で、通信容量増加の要求に対応するために、光の波長ごとに情報を乗せる、波長分割多重技術（Wavelength division multiplexing ： ＷＤＭ）が導入された。ＷＤＭにおいては、例えば、信号を乗せた各波長の光を合波、または分波するための光デバイスが必要であるが、一般に、そうしたデバイスはその性能に波長依存性をもつために、限られた波長の範囲でしか使用できない。しかし、近年の爆発的な通信容量の増加に伴い、使用する光の波長範囲は拡大する一方であり、こうした光デバイスの使用波長範囲を広げることに対する要求が非常に高まっている。
【０００３】
このような光合分波などの機能を実現する方法はいくつかあるが、代表的なものに平面光波回路（Planar lightwave circuit：ＰＬＣ）を用いるものがある。ＰＬＣでは、平面状の基板に、フォトリソグラフィなどによるパターニングと、エッチング加工により、光導波路を用いた複数の基本的な光回路（例えば、方向性結合器、マッハ・ツェンダー干渉計など）を組み合わせることで各種の機能を実現する。
【０００４】
そのような基本的な光回路のなかでも、マルチモード干渉型光導波路（Multi-mode interference waveguide:ＭＭＩ）を用いた光回路は、その製造トレランスの強さ、波長依存性の少なさから広く用いられている。ＭＭＩ光回路は一般に、任意の数の入出力導波路と、導波路幅の広いマルチモード干渉導波路（ＭＭＩ部）からなり、入力導波路から入射された光は、ＭＭＩ部で複数の導波モードに展開され、そのモード間での干渉を利用して、光の合分波などの機能を実現することができ、ＭＭＩ単体、もしくは複数のＭＭＩを用いた光合分波回路が実現されている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】L.B. Soldano and E.C.M. Pennings, "Optical Multi-Mode Interference Devices Based on Self-Imaging: Principles and Applications", IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 13, No.4, pp.615-627, Apr. 1995.
【非特許文献２】Y. Sakamaki, T. Saida, T. Hashimoto, and H. Takahashi, "New Optical Waveguide Design Based on Wavefront Matching Method", IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 25, No.11, pp.3511-3518, Nov. 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＭＭＩを用いた光回路の一つの強みは、マルチモード干渉部が幅広の導波路で形成されるために、波長依存性が小さくなることにあるが、それは同時に、その性能を変化させにくいということでもある。例えば波長依存性に着目した場合、マルチモード干渉部の構造が決定してしまえば、その波長依存性を更に低減するということは困難である。このため、ＷＤＭ技術の導入により、要求される波長範囲が拡大される中で、ＭＭＩを用いる光回路の使用波長範囲が制限されることになる。
【０００７】
以上のことから、本発明は上述したような課題を解決するために為されたものであって、挿入損失の波長依存性、位相誤差を低減して、使用可能な波長範囲を拡大できる光集積回路を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述した課題を解決する本発明に係る光集積回路は、入力導波路、出力導波路、マルチモード干渉型光導波路部からなる、任意の数の入出力導波路を有する光集積回路であって、所望の光の波長範囲に対して、前記入力導波路、前記出力導波路の少なくともどちらか一つの部分の導波路幅が光の伝搬方向に沿って変化し、前記入力導波路、前記出力導波路中の任意の点において、前記入力導波路の入力端からの入力フィールドの順伝搬のフィールドの波面と、前記出力導波路の出力端からの出力フィールドの逆伝搬させたフィールドの波面とが一致するように変動していることを特徴とする。
【０００９】
また、前述した課題を解決する本発明に係る光集積回路は、入力導波路、出力導波路、マルチモード干渉型光導波路部からなる、任意の数の入出力導波路を有する光集積回路であって、前記マルチモード干渉型光導波路部の部分の導波路幅が光の伝搬方向に沿って変化し、所望の光の波長範囲に対して、当該マルチモード干渉型光導波路部の後端部での集光位置を均一化するように変動していることを特徴とする。
【００１０】
また、前述した課題を解決する本発明に係る光集積回路は、上述した光集積回路において、前記入力導波路および前記出力導波路の長さを１０〜２００μｍとすることを特徴とする。
【００１１】
また、前述した課題を解決する本発明に係る光集積回路は、上述した光集積回路において、前記導波路部の変化量は、光の伝搬方向１μｍあたり最大±０．１μｍであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る光集積回路によれば、従来の光集積回路と同工程で作製可能でありながら、挿入損失の波長依存性、位相誤差を低減して、使用波長領域を大幅に拡大できるため、光通信の更なる普及に大きな効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施例に係る光集積回路の模式図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る光集積回路が具備する導波路の説明図である。
【図３】従来の２×２ＭＭＩ光回路の特性図であって、図３（ａ）に挿入損失スペクトルを示し、図３（ｂ）に出力導波路での界分布を示す。
【図４】本発明の第１の実施例に係る光集積回路の説明図であって、図４（ａ）に入力導波路の幅のみを変調したＭＭＩ光回路の挿入損失スペクトルを示し、図４（ｂ）に出力導波路の幅のみを変調したＭＭＩ光回路の挿入損失スペクトルを示す。
【図５】本発明の第１の実施例に係る光集積回路の説明図であって、図５（ａ）に入出力導波路の幅を変調したＭＭＩ光回路の挿入損失スペクトルを示し、図５（ｂ）に出力導波路での界分布を示す。
【図６Ａ】本発明の第１の実施例に係る光集積回路が具備する第１の入力導波路の導波路形状を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の第１の実施例に係る光集積回路が具備する第１の出力導波路の導波路形状を示す図である。
【図７Ａ】本発明の第１の実施例に係る光集積回路による挿入損失スペクトルを示すグラフである。
【図７Ｂ】本発明の第１の実施例に係る光集積回路が具備するＭＭＩ部の導波路形状を示す図である。
【図７Ｃ】本発明の第１の実施例に係る光集積回路における、ＭＭＩ部の幅のみを変調した場合の集光位置自乗誤差を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施例に係る光集積回路の模式図である。
【図９Ａ】本発明の第２の実施例に係る光集積回路の全体を示す図である。
【図９Ｂ】本発明の第２の実施例に係る光集積回路が具備する第２の入力導波路を示す図である。
【図９Ｃ】本発明の第２の実施例に係る光集積回路が具備するＭＭＩ部を示す図である。
【図９Ｄ】本発明の第２の実施例に係る光集積回路が具備する第２の出力導波路を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施例に係る光集積回路の特性を説明するための図であって、図１０（ａ）に従来構造のＭＭＩ光回路の損失スペクトルを示し、図１０（ｂ）に導波路幅変調を行ったＭＭＩ光回路の損失スペクトルを示す。
【図１１】本発明の第３の実施例に係る光集積回路の模式図である。
【図１２】本発明の第４の実施例に係る光集積回路の模式図である。
【図１３】本発明の第５の実施例に係る光集積回路の模式図である。
【図１４】本発明の第６の実施例に係る光集積回路の模式図である。
【図１５】本発明の第７の実施例に係る光集積回路の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明に係る光集積回路を実施するための形態について、各実施例にて具体的に説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明の第１の実施例に係る光集積回路について、図１〜図７を参照して具体的に説明する。
【００１６】
本実施例に係る光集積回路は、図１に示すように、２×２ＭＭＩ光回路であって、導波路長Ｌinであり導波路幅Ｗinである２本の入力導波路１１ａ，１１ｂ、導波路長Ｌoutであり導波路幅Ｗoutである２本の出力導波路１２ａ，１２ｂ、ＭＭＩ部導波路長ＬMMIでありＭＭＩ部導波路幅ＷMMIであるマルチモード干渉導波路（ＭＭＩ部）１３を備える。
【００１７】
入出力導波路１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの具体的な構造を図２に示す。導波路は、図２に示すように、ｎ型のＩｎＰ基板１、ＩｎＰ下部クラッド層２、厚さ０．３μｍのＩｎＧａＡｓＰコア層３、ｐ型のＩｎＰ上部クラッド層４、及び、空気クラッド５で構成される。下部クラッド層２は基板１上に設けられる。コア層３は下部クラッド層２上に設けられる。上部クラッド層４はコア層３上に設けられる。下部クラッド層２、コア層３、上部クラッド層４は、同一幅であって、基板１よりも幅狭に形成される。つまり、下部クラッド層２、コア層３、および上部クラッド層４の両側が、空気クラッド５をなしている。コア層３はフォトルミネッセンス（ＰＬ）ピーク波長で１．３μｍ付近の光を発光するような組成となっており、基板１に格子整合している。
【００１８】
次に、本実施例に係る光集積回路の製造方法を説明する。
まず、ｎ型のＩｎＰ基板上に、コア層３、上部クラッド層４を成長させる。フォトリソグラフィにより、図１に示すようなパターンを形成し、ドライエッチングにより基板１まで図２に示すようにエッチングをすることで、下部クラッド層２を含む、いわゆるハイメサ導波路構造を形成する。導波路メサの高さ（上部クラッド層から下部クラッド層までの高さ）には任意性があるが、光が閉じ込められるように十分に深くエッチングする必要がある。バーへき開をした後に両端面に無反射コーティングを施し、チップへき開をして完成となる。無反射コーティングを実現する方法はいくつかあるが、ここではＴｉＯ2とＳｉＯ2の多層膜をレーザ端面に堆積した。
【００１９】
図３（ａ）に、従来の光集積回路である２×２ＭＭＩ光回路において、入出力導波路幅Ｗin＝Ｗout=２μｍ、ＭＭＩ部導波路幅ＷMMI＝１２μｍ、入出力導波路間隔ｄcore＝４μｍ、入出力導波路長Ｌin＝Ｌout＝６０μｍ、ＭＭＩ部導波路長ＬMMI＝２００μｍ、入出力導波路をＭＭＩ部の中心に対して対称に配置した場合の挿入損失スペクトルをビーム伝搬法（Beam propagation method：ＢＰＭ）によるシミュレーションによって算出したものを示す。本実施例では、通信波長帯のＣバンド、Ｌバンド（１．５２μｍ〜１．６２μｍ）での使用を想定して、その中心である１．５７μｍ付近で損失が最も小さくなるように構造パラメータを設計している。図３（ａ）から、通信波長帯のＣバンド、Ｌバンド（１．５２μｍ〜１．６２μｍ）の端のほうでは損失が急激に増加しており、使用波長範囲は限定されてしまうのがわかる。例えば、挿入損失が０．２ｄＢ以下になる波長範囲は、１．５５μｍ〜１．６１μｍ程度であり、その他の波長範囲で使用するには、別設計のＭＭＩ光回路を用いるしかない。この波長依存性は主に、導波路内伝搬定数、モードフィールドの波長依存性から生じるＭＭＩ導波路内部での集光位置の波長依存性から生じている。波長ごとに集光位置が異なると、それぞれの波長での最適なＭＭＩ部の長さが変わることになり、最適な長さからずれている波長に関しては、放射損失が増すことになる。また、ＭＭＩ導波路内部においては、複数の導波モードが励起されるが、あまりに高次のモードの励起パワーが大きいと、ＭＭＩ後端部での界分布が乱れ、出力導波路にうまく結合せず、損失が増すことになる。図３（ｂ）に出力導波路での波長１．５２μｍでの光の断面界分布を示す。図中横軸は図１において、ＷMMIと平行な方向を表す。また、出力導波路が始まる部分を０μｍとして、４０μｍまでの伝搬波形をプロットしている。図３（ｂ）から、ＭＭＩ内部で高次モードが励振され、複数の大きなピークを有する界分布となっていることがわかる。
【００２０】
導波路構造、幅などを変えることで特性を多少変化させることは可能だが、ＭＭＩ部は導波路幅が広く、波長依存性小さいので、構造を変えたとしても波長依存性の大きな低減は見込めない。そこで本発明では、従来一定であった入出力導波路幅を変調することにより、ＭＭＩ部入力部、出力部での界分布を変調することで、ＭＭＩ部内部での集光位置を補正し、なおかつ、ＭＭＩ部での高次モードの励振を抑制することにより、出力導波路での放射損失を低減することで、損失を低減している。導波路幅の具体的な形状を算出するために、ここでは波面整合法（Wavefront matching method：ＷＦＭ）を用いる。ＷＦＭは、ある入出力をもつ光回路に対して、入力側から伝搬していく光と、出力側から伝搬していく光の波面を整合させるように屈折率分布を決定することで、回路の透過率を最大化させる構造を算出するシミュレーション技法であり、ＳｉＯ2を材料に用いたＰＬＣ設計において大きな実績をもつ手法である（例えば、非特許文献２参照）。
【００２１】
具体的にＷＦＭを用いて、上記、損失の低減を目的とする導波路幅形状を算出するには、例えばＢＰＭを用いて、入力側、出力側からそれぞれ、所望のモードフィールドをもつ光を伝搬させ、回路の中央で、２つの光の波面が整合するように導波路の幅を変化させる。この手順を複数回反復することで、損失を低減する導波路幅形状を決定できる。
【００２２】
図４（ａ）に、２×２ＭＭＩ光回路の入力導波路の導波路幅のみを変調させた場合の透過スペクトルの計算値を示し、（ｂ）に２×２ＭＭＩ光回路の出力導波路の導波路幅のみを変調させた場合の透過スペクトルの計算値を示す。図４（ａ），（ｂ）から、従来構造（図３（ａ））の場合に比べて、損失が低くなり、透過特性が改善されていることがわかる。
【００２３】
また、図５（ａ）にＷＦＭによって算出した、入出力導波路の導波路幅を変調したＭＭＩ光回路の挿入損失スペクトルの計算値を示す。図５（ａ）から、波長１．５２μｍ、１．６２μｍ付近で損失が大幅に低減されていることがわかる。また、図５（ｂ）には、出力導波路での波長１．５２μｍでの光の断面界分布を示す。図５（ｂ）から、導波路幅の変調を行うことで、図３（ｂ）の従来構造の場合に比べ、高次モードの励振が抑制され、より、出力導波路の基本モードのフィールドに近づいていることがわかる。よって、図５（ａ）で示された損失低減の理由は、図５（ｂ）に示すように、入出力導波路幅を変調することで、ＭＭＩ部での高次モードの励振を抑制することによるものである。図６Ａに、図５の構造に対応する入力導波路の具体的な形状を示し、図６Ｂに、図５の構造に対応する出力導波路の具体的な形状を示す。図６Ａおよび図６Ｂにおいて、ドットで示す領域が導波路コアを示し、それ以外がクラッドを示す。ＭＭＩ部の導波路中心に対して対称構造のため、入力出力導波路それぞれ１本ずつの形状を示している。また、形状が良く見えるように導波路の端を拡大して図示している。図６Ａおよび図６Ｂから、導波路幅が非周期的に変調されていることがわかる。このような形状は通常構造と全く同様に、一般的なフォトリソグラフィを用いて作製可能であり、従来と同様の作製技術を用いて、波長依存性を大幅に改善できることがわかる。また、損失の波長依存性が小さいため、製造誤差に強いことも利点となる。また、このとき、入出力導波路長を６０μｍとしているが、他の長さであってももちろん構わない。しかし、短すぎればモードフィールドの変調が十分にできず、長すぎれば損失が大きくなるため、１０μｍ〜２００μｍとするのが良い。
【００２４】
図７Ａには、２×２ＭＭＩ光回路にて、入出力導波路に加え、ＭＭＩ部の導波路幅も変調した場合の損失スペクトルを示す。また図７ＢにＭＭＩ部の導波路形状を示す。図７Ｂにおいて、ドットで示す領域が導波路コアを示し、それ以外がクラッドを示す。入出力導波路ほど効果は大きくないが、更に損失の低減がなされているのがわかる。この理由を示すために、図７ＣにＭＭＩ部の導波路幅のみを変調した場合の、集光位置の自乗誤差を示す。図７Ｃにて、横軸はＷＦＭを適用する際の反復回数に相当する。図７Ｃにおいて、１つの入力導波路から入射し２つの出力導波路から出射する場合であって、点線が入力側の集光自乗誤差を示し、実線Ａが第１の出力導波路の集光自乗誤差を示し、実線Ｂが第２の出力導波路の集光自乗誤差を示す。自乗誤差は具体的に、以下に示す数式（１）により評価した。
【００２５】
【数１】
【００２６】
ここに、χ0（λi）は各波長に対応する集光位置、χcは損失が最も低くなる中心波長に対する集光位置、Ｎはサンプリングポイント数である。反復が進むごとに、自乗誤差は減少し、値が収束していくことがわかる。つまり、ＭＭＩ部の変調により、集光位置の波長依存性が緩和され、損失の低減がなされている。
【００２７】
よって、本実施例に係る光集積回路を用いることで、通常構造では、損失０．２ｄＢの帯域が、１．５５μｍ〜１．６１μｍ程度であったのに対し、本発明では、Ｃ，Ｌバンド全域（１．５２μｍ〜１．６２μｍ）で損失０．２ｄＢ以下となり、ほぼ２倍の帯域を得ることができる。ここで、図７Ｂにおける、ＭＭＩ部導波路の導波路幅の非周期的な変調は、光の伝搬方向（図７Ｂの横軸、ｚ方向）１μｍに対して、光の伝搬方向に垂直な方向（図７Ｂの縦軸、ｘ方向）への変化幅は、最大±０．１μｍである。これは、急激な光導波路幅の変調を禁止することで、波長依存性が滑らかとなり、再現性の優れた光回路を提供することができるからである。しかしながら、本発明は、この例に限定されるものではなく、より急峻な光導波路幅の変動があっても勿論構わない。
【００２８】
したがって、本実施例に係る光集積回路によれば、ＭＭＩ光回路に関して、製造方法は従来と同等でありながら、損失の波長依存性、位相誤差を大幅に低減して、使用波長領域を大幅に拡大することができる。
【実施例２】
【００２９】
本発明の第２の実施例に係る光集積回路について、図８〜図１０を参照して具体的に説明する。
本実施例では、上述した第１の実施例に係る光集積回路と同じものには同一符号を付記している。
【００３０】
本実施例に係る光集積回路は、図８に示すように、２×２ＭＭＩ光回路であって、入力導波路１１ａ，１１ｂとＭＭＩ部１３との間のそれぞれに設けられたテーパ導波路部２１ａ，２１ｂ、ＭＭＩ部１３と出力導波路１２ａ，１２ａとの間のそれぞれに設けられたテーパ導波路部２２ａ，２２ｂを備える。入力導波路１１ａ，１１ｂ側に設けられたテーパ導波路部２１ａ，２１ｂは、長さＬtaperであり、最終的な導波路幅Ｗtaperである。出力導波路１２ａ，１２ｂ側に設けられたテーパ導波路部２２ａ，２２ｂは、長さＬtaperであり、ＭＭＩ部１３側の導波路幅Ｗtaperである。その他のパラメータは、第１の実施例に係る光集積回路と同じである。テーパの形状はここでは直線テーパとしているが、他の形状でもかまわない。
【００３１】
上述の光集積回路の構造についても、ＷＦＭにより、入出力導波路、ＭＭＩ部の導波路幅変調を行った導波路形状を算出し、形状を決定する。その形状を図９を用いて説明する。図９は、本実施例に係る光集積回路において、Ｌtaper＝１０μｍ、Ｗtaper＝２．５μｍとした場合の、ＷＦＭにより算出した図であって、図９Ａにその全体構造を示し、図９Ｂに片方の入力導波路を示し、図９ＣにそのＭＭＩ部を示し、図９Ｄに片方の出力導波路の導波路幅形状を示す。図９Ａ〜Ｄにおいて、ドットで示す領域が導波路コアを示し、それ以外がクラッドを示す。本実施例においても、上述した第１の実施例に係る光集積回路と同様に、非周期的な導波路幅が変調されている。
【００３２】
図１０にＬtaper＝１０μｍ、Ｗtaper＝２．５μｍの場合の、実際に試作した構造の損失スペクトルの実験値を示す。図１０（ａ）が通常構造、図１０（ｂ）が入出力導波路、ＭＭＩ部の導波路幅を変調した構造に対するスペクトルである。図中には、製造誤差へのトレランスを示すために、故意に導波路形状のパラメータをシフトさせて作製した場合のスペクトルも示す。図から明らかに、導波路幅を変調した構造は、通常構造に比べて、損失の波長依存性が低減され、製造誤差にも強くなっていることがわかる。
【００３３】
以上のことから、本実施例に係る光集積回路によれば、上述した第１の実施例に係る光集積回路と同様、ＭＭＩ光回路に関して、製造方法は従来と同等でありながら、損失の波長依存性、位相誤差を大幅に低減して、使用波長領域を大幅に拡大することができる。
【実施例３】
【００３４】
本発明の第３の実施例に係る光集積回路について図１１を参照して具体的に説明する。
【００３５】
本実施例に係る光集積回路は、図１１に示すように、４×４ＭＭＩ光回路であって、第１〜第４の入力導波路３１ａ〜３１ｄ、第１〜第４の出力導波路３２ａ〜３２ｄ、ＭＭＩ部３３を備える。このような構造の光集積回路に対し、入出力導波路３１ａ〜３１ｄ，３２ａ〜３２ｄ、ＭＭＩ部３３の導波路幅は、それぞれＷＦＭにより算出した非周期的な形状に形成される。
【００３６】
以上のことから、本実施例に係る光集積回路によれば、上述した第１の実施例および第２の実施例に係る光集積回路と同様、広帯域の損失低減を実現することができる。
【実施例４】
【００３７】
本発明の第４の実施例に係る光集積回路について図１２を参照して具体的に説明する。
【００３８】
本実施例に係る光集積回路は、光９０度ハイブリッド回路であって、図１２に示すように、信号光が入力される第１の１×２ＭＭＩ光回路４２ａ、局発光が入力される第２の１×２ＭＭＩ光回路４２ｂ、第１の２×２ＭＭＩ光回路４３ａ、第２の２×２ＭＭＩ光回路４３ｂを備える。
【００３９】
第１の１×２ＭＭＩ光回路４２ａは、１つの入力導波路４１ａ、２つの出力導波路４４ａ，４４ｂを備える。第２の１×２ＭＭＩ光回路４２ｂは、１つの入力導波路４１ｂ、２つの出力導波路４５ａ，４５ｂを備える。出力導波路４４ａ，４５ｂは、それぞれ光路長差付与部分４８ａ，４８ｂを備える。
【００４０】
第１の２×２ＭＭＩ光回路４３ａは、２つの出力導波路４６ａ，４７ａを備える。第２の２×２ＭＭＩ光回路４３ｂは、２つの出力導波路４６ｂ，４７ｂを備える。
【００４１】
上述した構成の光集積回路、すなわち、光９０度ハイブリッド回路は、コヒーレント光通信の受信側において、信号光、局発光の位相差を光のパワーの差に変換する回路である。
【００４２】
本実施例においても、上述した実施例と同様に、導波路幅を非周期的に変調することで、広帯域にわたって損失を低減することが可能である。
【実施例５】
【００４３】
本発明の第５の実施例に係る光集積回路について図１３を参照して具体的に説明する。
【００４４】
本実施例に係る光集積回路は、光９０度ハイブリッド回路であって、図１３に示すように、信号光および局発光が入力される４×４ＭＭＩ光回路を備える。４×４ＭＭＩ光回路は、第１，第２，第３，第４の入力導波路５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ、第１，第２，第３，第４の出力導波路５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ、ＭＭＩ部５３を備える。第１の出力導波路５２ａは、光路長差付与部分５４を備える。第１〜第４の入力導波路５１ａ〜５１ｄ、第１〜第４の出力導波路５２ａ〜５２ｄ、ＭＭＩ部５３の導波路幅は、上述した実施例と同様に、それぞれ非周期的に変調されている。
【００４５】
本実施例においても、上述した実施例と同様に、導波路幅を非周期的に変調することで、広帯域にわたって損失を低減することが可能である。
【実施例６】
【００４６】
本発明の第６の実施例に係る光集積回路について図１４を参照して具体的に説明する。
【００４７】
本実施例に係る光集積回路は、図１４に示すように、波長可変レーザアレイであって、第１，第２，・・・，第１１，第１２の光源６１ａ，６１ｂ，・・・，６１ｋ，６１ｌのそれぞれに入力導波路が接続する１２×１ＭＭＩ光回路を備える。１２×１ＭＭＩ光回路は、第１，第２，・・・，第１１，第１２の入力導波路６２ａ，６２ｂ，・・・，６２ｋ、６２ｌ、ＭＭＩ部６３、出力導波路６４を備える。第１，第２，・・・，第１１，第１２の光源６１ａ，６１ｂ，・・・，６１ｋ，６１ｌは、それぞれ波長可変レーザであり、それぞれ並列に配置される。つまり、本実施例に係る光集積回路は、光源６１ａ〜６１ｌからの光出力を合波する。この光集積回路では，Ｃバンド全域の光の波長を１２個の光源６１ａ〜６１ｌから出力可能である。通常構造のＭＭＩ光回路では，Ｃバンド真中の波長で最も損失を低くするように設計した場合、Ｃバンドの端の波長では損失が大きくなるが、本実施例に係る光集積回路によるＭＭＩ光回路を用いることにより、Ｃバンドの端の波長に対しても低損失に光を合波することが可能である。
【実施例７】
【００４８】
本発明の第７の実施例に係る光集積回路について図１５を参照して具体的に説明する。
本実施例は、１００ギガビットイーサネット（登録商標）（１００ＧｂＥ）用モノリシック集積光源に適用したものである。
【００４９】
１００ＧｂＥ用光源では、規格で定められた４つの異なる波長に対してそれぞれ２５Ｇｂｉｔ／ｓで動作する光源が必要であるが、それらを個別に用いると、送信機のサイズが大きくなるため、小型化が強く望まれている。４つの光源を集積することによって小型化が可能であるが、その際には低損失な合波器が必要となる。そこで、本実施例に係る光集積回路では、４×４，４×１のＭＭＩ光回路を組み合わせた、いわゆるトランスバーサルフィルタを用いている。すなわち、光集積回路は、図１５に示すように、第１〜第４の光源７１ａ〜７１ｄのそれぞれに入力導波路７２ａ〜７２ｄのそれぞれが接続する４×４ＭＭＩ光回路７３、４×４ＭＭＩ光回路７３に接続する４×１ＭＭＩ光回路７５を備える。
４×４ＭＭＩ光回路７３は、４つの出力導波路７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄを備える。出力導波路７４ａ，７４ｂ，７４ｄは、それぞれ光路長差付与部分７７ａ，７７ｂ，７７ｃを備える。４×１ＭＭＩ光回路７５は、出力導波路７６を備える。
【００５０】
本実施例においても、上述した実施例と同様に、導波路幅を非周期的に変調することで、４つの波長に対して低損失な合波器を実現可能である。
【００５１】
なお、上記では、コア層の材料をＩｎＰ基板上に成長したＩｎＧａＡｓＰとしたが、これが他の材料、例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓでもＧａＩｎＮＡｓでも同じ効果を得ることができる。また、基板をＩｎＰとしているが、ＧａＡｓでもサファイア基板でもシリコン基板でも、他の半導体基板でも同様な効果を得ることができる。
【００５２】
また、上記では、素子が対象としている光の波長範囲が、１．５５μｍ付近の光の例のみを示しているが、他の波長帯、例えば、１．３μｍ付近の光に対しても同様の効果を得ることができる。
【００５３】
また、上記では、導波路の構造をハイメサ導波路構造としているが、いわゆるリッジ構造や埋め込み構造でも構わないし、クラッドは有機物などで埋めた構造とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明に係る光集積回路は、従来と同工程で作製可能でありながら、使用波長領域を大幅に拡大できるため、光通信産業等を始めとする各種産業において、極めて有益に利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ ＩｎＰ基板
２ ＩｎＰ下部クラッド層
３ ＩｎＧａＡｓＰコア層
４ ＩｎＰ上部クラッド層
５ 空気クラッド
１１ａ，１１ｂ 入力導波路
１２ａ，１２ｂ 出力導波路
１３ マルチモード干渉型導波路部（ＭＭＩ部）
２１ａ，２１ｂ テーパ導波路部
２２ａ，２２ｂ テーパ導波路部
３１ａ〜３１ｄ 入力導波路
３２ａ〜３２ｄ 出力導波路
３３ マルチモード干渉型導波路部（ＭＭＩ部）
４１ａ，４１ｂ 入力導波路
４２ａ，４２ｂ マルチモード干渉型導波路部（ＭＭＩ部）
４３ａ，４３ｂ マルチモード干渉型導波路部（ＭＭＩ部）
４４ａ，４４ｂ 出力導波路
４５ａ，４５ｂ 出力導波路
４６ａ，４６ｂ 出力導波路
４７ａ，４７ｂ 出力導波路
４８ａ，４８ｂ 光路長差付与部分
５１ａ〜５１ｄ 入力導波路
５２ａ〜５２ｄ 出力導波路
５３ マルチモード干渉型導波路部（ＭＭＩ部）
５４ 光路長差付与部分
６１ａ〜６１ｌ 光源
６２ａ〜６２ｌ 入力導波路
６３ マルチモード干渉型導波路部（ＭＭＩ部）
６４ 出力導波路
７１ａ〜７１ｄ 光源
７２ａ〜７２ｄ 入力導波路
７３ マルチモード干渉型導波路部（ＭＭＩ部）
７４ａ〜７４ｄ 出力導波路
７５ マルチモード干渉型導波路部（ＭＭＩ部）
７６ 出力導波路
７７ａ〜７７ｃ 光路長差付与部分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力導波路、出力導波路、マルチモード干渉型光導波路部からなる、任意の数の入出力導波路を有する光集積回路であって、
所望の光の波長範囲に対して、前記入力導波路、前記出力導波路の少なくともどちらか一つの部分の導波路幅が光の伝搬方向に沿って変化し、前記入力導波路、前記出力導波路中の任意の点において、前記入力導波路の入力端からの入力フィールドの順伝搬のフィールドの波面と、前記出力導波路の出力端からの出力フィールドの逆伝搬させたフィールドの波面とが一致するように変動している
ことを特徴とする光集積回路。
【請求項２】
入力導波路、出力導波路、マルチモード干渉型光導波路部からなる、任意の数の入出力導波路を有する光集積回路であって、
前記マルチモード干渉型光導波路部の部分の導波路幅が光の伝搬方向に沿って変化し、所望の光の波長範囲に対して、当該マルチモード干渉型光導波路部の後端部での集光位置を均一化するように変動している
ことを特徴とする光集積回路。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光集積回路において、
前記入力導波路および前記出力導波路の長さを１０μｍ〜２００μｍとする
ことを特徴とする光集積回路。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の光集積回路において、
前記導波路部の変化量は、光の伝搬方向１μｍあたり最大±０．１μｍである
ことを特徴とする光集積回路。
【請求項１】
入力導波路、出力導波路、マルチモード干渉型光導波路部からなる、任意の数の入出力導波路を有する光集積回路であって、
所望の光の波長範囲に対して、前記入力導波路、前記出力導波路の少なくともどちらか一つの部分の導波路幅が光の伝搬方向に沿って変化し、前記入力導波路、前記出力導波路中の任意の点において、前記入力導波路の入力端からの入力フィールドの順伝搬のフィールドの波面と、前記出力導波路の出力端からの出力フィールドの逆伝搬させたフィールドの波面とが一致するように変動している
ことを特徴とする光集積回路。
【請求項２】
入力導波路、出力導波路、マルチモード干渉型光導波路部からなる、任意の数の入出力導波路を有する光集積回路であって、
前記マルチモード干渉型光導波路部の部分の導波路幅が光の伝搬方向に沿って変化し、所望の光の波長範囲に対して、当該マルチモード干渉型光導波路部の後端部での集光位置を均一化するように変動している
ことを特徴とする光集積回路。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光集積回路において、
前記入力導波路および前記出力導波路の長さを１０μｍ〜２００μｍとする
ことを特徴とする光集積回路。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の光集積回路において、
前記導波路部の変化量は、光の伝搬方向１μｍあたり最大±０．１μｍである
ことを特徴とする光集積回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−７８０８（Ｐ２０１３−７８０８Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３９１２４（Ｐ２０１１−１３９１２４）
【出願日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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