(57)【要約】【課題】所望の波長損失特性を満たす波長帯域を、製造プロセスの加工ばらつきに対抗して広げることを可能にする多モード干渉デバイスを提供する。【解決手段】多モード干渉デバイス１１では、第１側面２３ａ、第２側面２３ｂ、第１端面２５ａ及び第２端面２５ｂによって規定される多モード導波路１３に、第１端面２５ａにおいて第１１導波路１５及び第１２導波路１７が光学的に結合されると共に第２端面２５ｂにおいて第２１導波路１９及び第２２導波路２１が光学的に結合される。第１基準面Ｒｅｆ１が第２基準面Ｒｅｆ２に平行ではないので、第１１導波路１５及び第１２導波路１７のいずれかの一方から第２１導波路１９及び第２２導波路２１のいずれか一方への経路長が、第１１導波路１５及び第１２導波路１７のいずれか他方から第２１導波路１９及び第２２導波路２１のいずれか他方への経路長と異なりようにオフセットが設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多モード干渉デバイスであって、
第１軸の方向に延在する第１側面及び第２側面、前記第１軸に交差する第１基準面に沿って延在する第１端面、並びに前記第１軸に交差する第２基準面に沿って延在する第２端面を含む多モード干渉のための多モード導波路と、
前記第１端面において前記多モード導波路に光学的に結合された第１１導波路と、
前記第１端面において前記多モード導波路に光学的に結合された第１２導波路と、
前記第２端面において前記多モード導波路に光学的に結合された第２１導波路と、
前記第２端面において前記多モード導波路に光学的に結合された第２２導波路と、
を備え、
前記第１基準面は、前記第２基準面に平行な別の基準面に対して傾斜している、多モード干渉デバイス。
【請求項２】
前記第１１導波路の中心線は第１位置で前記第１基準面に交差し、
前記第２１導波路の中心線は第２位置で前記第２基準面に交差し、
前記第１位置及び前記第２位置は第２軸上に位置し、
前記第１２導波路の中心線は第３位置で前記第１基準面に交差し、
前記第２２導波路の中心線は第４位置で前記第２基準面に交差し、
前記第３位置及び前記第４位置は第３軸上に位置する、請求項１に記載された多モード干渉デバイス。
【請求項３】
前記第１軸上における前記第１位置と前記第２位置との距離は、前記第２軸上における前記第３位置と前記第４位置との距離と異なる、請求項２に記載された多モード干渉デバイス。
【請求項４】
前記第１端面は、前記第１１導波路の内側側面と前記第１２導波路の内側側面とを接続する接続面を含み、
前記第２端面は、前記第２１導波路の内側側面と前記第２２導波路の内側側面とを接続する別の接続面を含む、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された多モード干渉デバイス。
【請求項５】
前記第１１導波路、前記第１２導波路、前記第２１導波路、前記第２２導波路、及び前記多モード導波路は、導波路構造を有しており、
前記導波路構造は、第１ＩｎＰクラッド層、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ量子井戸構造、及び第２ＩｎＰクラッド層を含み、
前記第１ＩｎＰクラッド層、前記ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ量子井戸構造、及び前記第２ＩｎＰクラッド層は、基板上に順に配列されている、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された多モード干渉デバイス。
【請求項６】
当該多モード干渉デバイスは２×２構造を有する、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された多モード干渉デバイス。
【請求項７】
マッハツェンダ干渉器であって、
第１の分岐導波路と、
第２の分岐導波路と、
前記第１の分岐導波路と前記第２の分岐導波路とを接続する第１アーム導波路と、
前記第１の分岐導波路と前記第２の分岐導波路とを接続する第２アーム導波路と、
を備え、
前記第１の分岐導波路は、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された多モード干渉デバイスを含む、マッハツェンダ干渉器。
【請求項８】
前記第２の分岐導波路は、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された多モード干渉デバイスを含む、請求項７に記載されたマッハツェンダ干渉器。
【請求項９】
光導波路デバイスを作製する方法であって、
請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された多モード干渉デバイスを含む光導波路デバイスを加工により形成する工程と、
前記光導波路デバイスの前記多モード干渉デバイスの前記第１１導波路及び前記第１２導波路のいずれか一方から前記多モード干渉デバイスの前記多モード導波路を介して前記第２１導波路及び前記第２２導波路のそれぞれに光を通過させる個々の形態で前記光導波路デバイスの特性の測定を行う工程と、
前記第１１導波路及び前記第１２導波路のいずれか他方から前記多モード干渉デバイスの前記多モード導波路を介して前記第２１導波路及び前記第２２導波路のそれぞれに光を通過させる個々の形態で前記光導波路デバイスの特性の測定を行う工程と、
前記測定の結果に基づき、前記形態のいずれを前記光導波路デバイスに適用するかを決定する工程と、
を備える、光導波路デバイスを作製する方法。
【請求項１０】
前記光導波路デバイスはマッハツェンダ干渉器を含む、請求項９に記載された光導波路デバイスを作製する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多モード干渉デバイス、マッハツェンダ干渉器、及び光導波路デバイスを作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１は、多モード干渉に基づく集積素子の概要を開示する。多モード導波路における自己結像の原理を説明している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】”Optical  Multi- Mode  Interference  Devices  Based  on  Self-Imaging:  Principles  and  Applications,”  JOURNAL  OF  LIGHTWAVE  TECHNOLOGY,  VOL.13,  NO.4,  pp615-627,  APRIL  1995
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１は、多モード干渉デバイスの設計指針を開示する。多モード干渉器といった多モード干渉デバイスは、作製工程における加工寸法のばらつきに起因して、光学的損失を発生する。例えば、多モード干渉器では、入射ポートから入射した光の焦点位置に出射ポートを設ける。発明者らの知見によれば、多モード干渉器の幅寸法のばらつきは、分岐損失に加えて別の損失を引き起こす。
【０００５】
また、光通信の波長多重化は、広い波長帯域で低損失であることを求める。しかしながら、製造プロセスの加工精度の限界に起因して多モード干渉器の幅が所望の値からずれると、多モード干渉器の波長損失特性がシフトする。この結果、所望の波長帯域において所望の波長損失特性が得られない。
【０００６】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、所望の波長損失特性を満たす波長帯域を、製造プロセスの加工ばらつきに対抗して広げることを可能にする多モード干渉デバイスを提供することを目的とし、またこの多モード干渉デバイスを含む光導波路デバイスを作製する方法を提供することを目的とし、さらにこの光導波路デバイスを含むマッハツェンダ干渉器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】
【０００７】
本発明に係る多モード干渉デバイスは、（ａ）第１軸の方向に延在する第１側面及び第２側面、前記第１軸に交差する第１基準面に沿って延在する第１端面、並びに前記第１軸に交差する第２基準面に沿って延在する第２端面を含む多モード導波路と、（ｂ）前記第１端面において、多モード干渉のための多モード導波路に光学的に結合された第１１導波路と、（ｃ）前記第１端面において、前記多モード導波路に光学的に結合された第１２導波路と、（ｄ）前記第２端面において、前記多モード導波路に光学的に結合された第２１導波路と、（ｅ）前記第２端面において、前記多モード導波路に光学的に結合された第２２導波路と、を備え、前記第１基準面は前記第２基準面に平行ではない。
【０００８】
この多モード干渉デバイスによれば、第１側面、第２側面、第１端面及び第２端面によって規定される多モード導波路に、第１端面において第１１導波路及び第１２導波路が光学的に結合されると共に第２端面において第２１導波路及び第２２導波路が光学的に結合される。第１基準面は第２基準面に平行ではないので、第１１導波路及び第１２導波路のいずれかの一方から第２１導波路及び第２２導波路のいずれか一方への経路長が、第１１導波路及び第１２導波路のいずれか他方から第２１導波路及び第２２導波路のいずれか他方への経路長と異なる。このため、製造プロセスの加工ばらつきに対抗して所望の波長損失特性をより広い波長帯域に達成できる多モード干渉デバイスを提供する。
【０００９】
本発明に係る多モード干渉デバイスでは、前記第１１導波路の中心線は第１位置で前記第１基準面に交差し、前記第２１導波路の中心線は第２位置で前記第２基準面に交差し、前記第１位置及び前記第２位置は第２軸上に位置し、前記第１２導波路の中心線は第３位置で前記第１基準面に交差し、前記第２２導波路の中心線は第４位置で前記第２基準面に交差し、前記第３位置及び前記第４位置は第３軸上に位置することができる。
【００１０】
この多モード干渉デバイスによれば、第１位置及び第２位置が第２軸上に位置するように、第１１導波路及び第２１導波路が多モード導波路に結合されると共に、第３位置及び第４位置が第３軸上に位置するように、第１２導波路及び第２２導波路が多モード導波路に結合される。この多モード干渉デバイスの構造は、製造プロセスの加工ばらつきに対抗して波長損失特性を所望の波長帯域に達成することを容易にする。
【００１１】
本発明に係る多モード干渉デバイスでは、前記第１軸上における前記第１位置と前記第２位置との距離は、前記第２軸上における前記第３位置と前記第４位置との距離と異なることができる。
【００１２】
この多モード干渉デバイスによれば、第１軸上における第１位置と第２位置との距離が第２軸上における第３位置と第４位置との距離と異なる多モード干渉デバイスの構造では、製造プロセスの加工ばらつきに対抗して波長損失特性を所望の波長帯域に満たす設計が容易になる。
【００１３】
本発明に係る多モード干渉デバイスは、前記第１端面は、前記第１１導波路の内側側面と前記第１２導波路の内側側面とを接続する接続面を含み、前記第２端面は、前記第２１導波路の内側側面と前記第２２導波路の内側側面とを接続する別の接続面を含むことができる。
【００１４】
この多モード干渉デバイスによれば、第１端面の接続面は、第１基準面に沿って延在して第１１導波路の内側側面を第１２導波路の内側側面に繋ぐ。また、第２端面の別の接続面は、第２基準面に沿って延在して第２１導波路の内側側面を第２２導波路の内側側面に繋ぐ。この多モード干渉デバイスでは、第１１導波路及び第１２導波路は第１端面において隣り合い、第２１導波路及び第２２導波路は第２端面において隣り合う。
【００１５】
本発明に係る多モード干渉デバイスでは、前記第１１導波路、前記第１２導波路、前記第２１導波路、前記第２２導波路、及び前記多モード導波路は、導波路構造を有しており、前記導波路構造は、第１ＩｎＰクラッド層、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ量子井戸構造、及び第２ＩｎＰクラッド層を含み、前記第１ＩｎＰクラッド層、前記ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ量子井戸構造、及び前記第２ＩｎＰクラッド層は、基板上に順に配列されていることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る多モード干渉デバイスは２×２構造を有することが好ましい。
【００１７】
本発明に係るマッハツェンダ干渉器は、（ａ）第１の分岐導波路と、（ｂ）第２の分岐導波路と、（ｃ）前記第１の分岐導波路と前記第２の分岐導波路とを接続する第１アーム導波路と、（ｄ）前記第１の分岐導波路と前記第２の分岐導波路とを接続する第２アーム導波路と、を備え、前記第１の分岐導波路は、上記のいずれかの多モード干渉デバイスを含む。
【００１８】
マッハツェンダ干渉器によれば、製造プロセスの加工ばらつきに対抗して、広い波長帯域において所望の波長損失特性を達成できる。
【００１９】
本発明に係るマッハツェンダ干渉器では、前記第２の分岐導波路は、上記のいずれかの多モード干渉デバイスを含むことができる。
【００２０】
本発明に係る光導波路デバイスを作製する方法は、（ａ）上記のいずれかにに記載された多モード干渉デバイスを含む光導波路デバイスを加工により作製する工程と、（ｂ）前記光導波路デバイスの前記多モード干渉デバイスの前記第１１導波路及び前記第１２導波路のいずれか一方から前記多モード干渉デバイスの前記多モード導波路を介して前記第２１導波路及び前記第２２導波路のそれぞれに光を通過させる個々の形態で前記光導波路デバイスの特性の測定を行う工程と、（ｃ）前記第１１導波路及び前記第１２導波路のいずれか他方から前記多モード干渉デバイスの前記多モード導波路を介して前記第２１導波路及び前記第２２導波路のそれぞれに光を通過させる個々の形態で前記光導波路デバイスの特性の測定を行う工程と、（ｄ）前記測定の結果に基づき、前記形態のいずれを前記光導波路デバイスに適用するかを決定する工程と、を備える。
【００２１】
光導波路デバイスを作製する方法（以下、「作製方法」と記す）によれば、いくつかの使用形態に対応する個々の特性の比較に基づき、これらの形態のいずれを光導波路デバイスの使用に適用するかを決定するので、製造プロセスの加工ばらつきに対抗して、広い波長帯域において所望の波長損失特性を達成できる光導波路デバイスを作製できる。
【００２２】
本発明に係る作製方法では、前記光導波路デバイスはマッハツェンダ干渉器を含むことができる。この方法によれば、製造プロセスの加工ばらつきに対抗して、広い波長帯域において所望の波長損失特性を達成できるマッハツェンダ干渉器を光導波路デバイスに提供できる。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、所望の波長損失特性を満たす波長帯域を、製造プロセスの加工ばらつきに対抗して広げることを可能にする多モード干渉デバイスが提供される。また、本発明によれば、この多モード干渉デバイスを含む光導波路デバイスを作製する方法が提供される。さらに、本発明によれば、この光導波路デバイスを含むマッハツェンダ干渉器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、光導波路デバイスの構造を示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係る多モード干渉デバイスと異なる構造を有する多モード干渉デバイスを示す図面である。
【図３】図３は、対称構造を有し設計寸法を有する多モード干渉デバイスの過剰損失特性を示す図面である。
【図４】図４は、いくらかの加工ばらつきで加工された多モード干渉デバイスの過剰損失特性を示す図面である。
【図５】図５は、いくらかの加工ばらつきで加工された多モード干渉デバイスの過剰損失特性を示す図面である。
【図６】図６は、非対称構造を有し設計寸法を有する多モード干渉デバイスの過剰損失特性を示す図面である。
【図７】図７は、加工に起因して付与された加工ばらつきを含む多モード干渉デバイスの過剰損失特性を示す図面である。
【図８】図８は、加工に起因して付与された加工ばらつきを含む多モード干渉デバイスの過剰損失特性を示す図面である。
【図９】図９は、加工に起因して付与された加工ばらつきを含む多モード干渉デバイスの過剰損失特性を示す図面である。
【図１０】図１０は、加工に起因して付与された加工ばらつきを含む多モード干渉デバイスの過剰損失特性を示す図面である。
【図１１】図１１は、本実施の形態に係る導波路デバイスの一例を示す図面である。
【図１２】図１２は、一実施例に係るマッハツェンダ干渉器を示す図面である。
【図１３】図１３は、ＭＺＩ回路における損失特性を示す図面である。
【図１４】図１４は、本実施の形態に係る光導波路デバイスを設計する方法の一例を示す図面である。
【図１５】図１５は、本実施の形態に係る光導波路デバイスを作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の多モード干渉デバイス、マッハツェンダ干渉器、及び光導波路デバイスを作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２６】
図１は、光導波路デバイスの構造を示す図面である。本実施例では、光導波路デバイスの一例として多モード干渉デバイスを説明する。
【００２７】
上面図としての図１の（ａ）部を参照すると、多モード干渉（ＭＭＩ）デバイス１１は、多モード導波路１３、第１１導波路１５、第１２導波路１７、第２１導波路１９、及び第２２導波路２１を備える。多モード導波路１３は、第１側面２３ａ、第２側面２３ｂ、第１端面２５ａ、及び第２端面２５ｂを含む。第１１導波路１５は、第１端面２５ａにおいて、多モード干渉（ＭＭＩ）のための多モード導波路１３に光学的に結合される。第１側面２３ａ及び第２側面２３ｂは、第１軸Ａｘの方向に延在する。第１２導波路１７は、第１端面２５ａにおいて、多モード導波路１３に光学的に結合される。第２１導波路１９は、第２端面２５ｂにおいて、多モード導波路１３に光学的に結合される。第２２導波路２１は、第２端面２５ｂにおいて、多モード導波路１３に光学的に結合される。第１端面２５ａは、第１軸Ａｘに交差する第１基準面Ｒｅｆ１に沿って延在する。第２端面２５ｂは、第１軸Ａｘに交差する第２基準面Ｒｅｆ２に沿って延在する。第１基準面Ｒｅｆ１は第２基準面Ｒｅｆ２に平行ではない。これ故に、本実施の形態に係るポートの位置関係にオフセットが設けられ、非対称構造を有する。
【００２８】
この多モード干渉デバイス１１によれば、第１側面２３ａ、第２側面２３ｂ、第１端面２５ａ及び第２端面２５ｂによって規定される多モード導波路１３に、第１端面２５ａにおいて第１１導波路１５及び第１２導波路１７が光学的に結合されると共に、第２端面２５ｂにおいて第２１導波路１９及び第２２導波路２１が光学的に結合される。第１基準面Ｒｅｆ１が第２基準面Ｒｅｆ２に平行ではないので、第１１導波路１５及び第１２導波路１７のいずれかの一方から第２１導波路１９及び第２２導波路２１のいずれか一方への経路長が、第１１導波路１５及び第１２導波路１７のいずれか他方から第２１導波路１９及び第２２導波路２１のいずれか他方への経路長と異なりオフセットが設けられる。このため、製造プロセスの加工ばらつきに対抗して所望の波長損失特性をより広い波長帯域に達成できる多モード干渉デバイスを提供できる。
【００２９】
本実施例では、第１１導波路１５及び第１２導波路１７は、それぞれ、入力ポートＩＮＰＵＴ１及びＩＮＰＵＴ２として利用されることができ、また第２１導波路１９及び第２２導波路２１は、それぞれ、出力ポートＯＵＴＰＵＴＡ及びＯＵＴＰＵＴＢとして利用されることができる。
【００３０】
このような構造の作製には、基板上に、上記のエピ構造を提供する複数のIII−Ｖ化合物半導体層を成長して、半導体積層を形成する。次いで、導波路及び多モード導波路の形状を規定するマスクを形成する。このマスクを用いて、ドライエッチングにより半導体積層をエッチングして、ＭＭＩ構造といった光導波路デバイスを作製する。この導波路構造を樹脂で埋め込むことができる。また、樹脂を加工して、導波路構造の上面に至る開口を形成する。この開口上に電極を形成する。
【００３１】
一例の多モード干渉デバイス１１は、以下の構造を有する。
導波路幅（導波路１５、１７、１９、２１）：２．４μｍ。
導波路間隔Ｇ：２μｍ。
多モード導波路幅（ＭＭＩ幅）Ｗ：６．８μｍ。
多モード導波路長（ＭＭＩ長）Ｌ：１９９μｍ。
（多モード導波路幅Ｗの中心における長さ）。
オフセット量ＯＦ：６μｍ。
ｎ型クラッド半導体層（ＳｉドープＩｎＰ層）：厚さ１μｍ。
コア半導体層（ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ多重量子井戸構造）：厚さ０．６μｍ。
ｐ型クラッド半導体層（ＺｎドープＩｎＰ層）：厚さ１μｍ。
第１基準面Ｒｅｆ１と第２基準面Ｒｅｆ２（基準面Ｒｅｆ０）との傾斜角ＴＨ：７０度。基準面Ｒｅｆ０は第２基準面Ｒｅｆ２に平行である。また、多モード導波路の一対の側面は互いに平行である。
【００３２】
多モード干渉デバイス１１の一実施例では、多モード干渉デバイスの作製において、エピ成長工程では、ｎ型クラッド半導体層（ＳｉドープＩｎＰ層）、コア半導体層（ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ多重量子井戸構造）、及びｐ型クラッド半導体層（ＺｎドープＩｎＰ層）を半絶縁ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長して、半導体積層を作製する。この後に、加工工程では、半導体積層のリアクティブイオンエッチングを用いる加工によりハイメサ導波路構造を形成する。埋込工程では、このハイメサ導波路構造をＢＣＢ樹脂により埋め込む。この加工の際に、ハイメサ導波路構造の加工寸法にばらつきが生じる。
【００３３】
図２は、本実施の形態に係る多モード干渉デバイスと異なる対称形の構造を有する多モード干渉デバイス３１を示す図面である。上面図として示された図２を参照すると、多モード干渉（ＭＭＩ）デバイス３１は、多モード導波路３３、第１１導波路３５、第１２導波路３７、第２１導波路３９、及び第２２導波路４１を備える。多モード導波路３３は、第１側面４３ａ、第２側面４３ｂ、第１端面４５ａ、及び第２端面４５ｂを含む。第１１導波路３５は、第１端面４５ａにおいて、多モード干渉（ＭＭＩ）のための多モード導波路３３に光学的に結合される。第１側面４３ａ及び第２側面４３ｂは、第２軸Ｂｘの方向に延在する。第１２導波路３７は、第１端面４５ａにおいて、多モード導波路３３に光学的に結合される。第２１導波路３９は、第２端面４５ｂにおいて、多モード導波路３３に光学的に結合される。第２２導波路４１は、第２端面４５ｂにおいて、多モード導波路３３に光学的に結合される。第１端面４５ａは、第２軸Ａｘに交差する第３基準面Ｒｅｆ３に沿って延在する。第２端面４５ｂは、第２軸Ｂｘに交差する第４基準面Ｒｅｆ４に沿って延在する。第３基準面Ｒｅｆ３は第４基準面Ｒｅｆ４に平行である。
【００３４】
図３は、正確に加工された多モード干渉デバイスの過剰損失特性を示す図面である。図３において、シンボルｄＷは、多モード干渉デバイスを加工により作製する際の加工ばらつきを示しており、ｄＷ＝０は多モード干渉デバイスの加工ばらつきがゼロであることを表す。図３における横軸は、伝送に用いられる波長帯域における光波長を示し、１５１０ｎｍ、１５３０ｎｍ、１５５０ｎｍ、１５７０ｎｍ及び１５９０ｎｍが波長として記載されている。なお、本実施の形態における過剰損失特性では、当該多モード干渉デバイスにおける光の分岐に本質的な損失（３ｄＢ）を除いている。
【００３５】
図３を参照すると、多モード干渉デバイス３１の過剰損失特性が示されている。設計寸法精度通りに製造した多モード干渉器（ＭＭＩ）は、波長１５３０〜１５７０ｎｍの波長範囲において非常に低い損失特性（例えば０．２ｄＢ以下）を有する。
【００３６】
図４及び図５は、いくらかの加工ばらつきで加工されたＭＭＩの過剰損失特性を示す図面である。
【００３７】
図４の（ａ）部は、加工ばらつきｄＷ＝−０．１０μｍ（設計寸法に対して０．１０μｍの細り）を有する多モード干渉デバイス３１の過剰損失特性を示す。この寸法ばらつきで製造されたＭＭＩでは、波長１５３０〜１５７０ｎｍの波長範囲において、出力ポートＡ、Ｂともに、過剰損失特性が１ｄＢを超えていない。
【００３８】
図４の（ｂ）部は、加工ばらつきｄＷ＝−０．１５μｍ（設計寸法に対して０．１５μｍの細り）を有する多モード干渉デバイス３１の過剰損失特性を示す。この寸法ばらつきで製造されたＭＭＩでは、波長１５３０〜１５７０ｎｍの波長範囲において、出力ポートＡ、Ｂともに、過剰損失特性が１ｄＢ程度又は１ｄＢ以上である。
【００３９】
図５の（ａ）部は、加工ばらつきｄＷ＝＋０．１５μｍ（設計寸法に対して０．１５μｍの太り）を有する多モード干渉デバイス３１の過剰損失特性を示す。この寸法ばらつきで製造されたＭＭＩでは、波長１５３０〜１５７０ｎｍの波長範囲において、出力ポートＡ、Ｂともに、過剰損失特性が１ｄＢを超えていない。
【００４０】
また、図５の（ｂ）部は、加工ばらつきｄＷ＝＋０．２０μｍ（設計寸法に対して０．２０μｍの太り）を有する多モード干渉デバイス３１の過剰損失特性を示す。この寸法ばらつきで製造されたＭＭＩでは、波長１５３０〜１５７０ｎｍの波長範囲において、出力ポートＡ、Ｂともに、過剰損失特性が１ｄＢ程度又は１ｄＢ以上である。
【００４１】
図３に示されるように、設計寸法精度通りに製造された多モード干渉デバイス３１は、波長１５３０〜１５７０ｎｍの波長範囲において非常に低損失な分岐特性を示す。しかしながら、多モード干渉デバイス３１においてＭＭＩ幅Ｗが設計目標値からずれたとき、結像する距離が各波長毎に変化するので、所定の波長範囲における最大損失が増加する。図３、図４及び図５における過剰損失特性によれば、波長帯域１５３０〜１５７０ｎｍの範囲で分岐によるＭＭＩ過剰損失を１ｄＢ以下の品質にするには、製造プロセスの寸法加工精度として−０．１μｍ〜＋０．１５μｍ程度の範囲が要求される。
【００４２】
この加工寸法への要求を緩和するために、本実施の形態に係る多モード干渉デバイス１１は、一端面に設けられる出力ポートの配列と他端面に設けられる入力ポートの配列とを有しており、対応する出力ポートと入力ポートとの距離が互いに異なるように、入力ポートの結合位置をＭＭＩ長の方向に変更する。この構造では、加工によるばらつきからのＭＭＩ幅ずれ量に応じて、好適な入力ポートを選択できる。この選択の可能化により、ＭＭＩ過剰損失を抑制することを可能にする。これ故に、製造プロセスに要求される寸法加工精度の緩和を実現できる。
【００４３】
図６の（ａ）部を参照すると、多モード干渉デバイス１１の過剰損失特性を示す。この特性は、入力導波路ＩＮＰＵＴ１から光を入力した使用形態に対応する。設計寸法精度通りに製造できた多モード干渉デバイス１１の過剰損失特性は波長１５３０〜１５７０ｎｍにおいて例えば０．５ｄＢ以下である。また、図６の（ｂ）部を参照すると、多モード干渉デバイス１１の過剰損失特性は、入力導波路ＩＮＰＵＴ２から光を入力した使用形態に対応する。設計寸法精度通りに製造した多モード干渉デバイス１１の過剰損失特性は波長１５３０〜１５７０ｎｍにおいて例えば０．６５ｄＢ以下である。２つの入出力ポート間隔は４．４μｍである。端面の傾斜角は７０度である。
【００４４】
図７〜図１０は、加工に起因して付与された加工ばらつきを含む多モード干渉デバイス１１の過剰損失特性を示す図面である。
【００４５】
図７の（ａ）部は、加工ばらつきｄＷ＝−０．１０μｍ（設計寸法に対して０．１０μｍの細り）を有する多モード干渉デバイス１１に入力導波路ＩＮＰＵＴ１から光を入力した場合の過剰損失特性を示す。この寸法ばらつきで製造された多モード干渉デバイス１１では、出力ＯＵＴＰＵＴＡおよび出力ＯＵＴＰＵＴＢにおける過剰損失特性が波長１５３０〜１５７０ｎｍにおいて、１ｄＢを超えている。
【００４６】
また、図７の（ｂ）部は、加工ばらつきｄＷ＝−０．０５μｍ（設計寸法に対して０．０５μｍの細り）を有する多モード干渉デバイス１１の過剰損失特性を示す。この寸法ばらつきで製造された多モード干渉デバイス１１では、出力ＯＵＴＰＵＴＡおよび出力ＯＵＴＰＵＴＢにおける過剰損失特性が波長１５３０〜１５７０ｎｍにおいて、１ｄＢ以下である。
【００４７】
図８の（ａ）部は、加工ばらつきｄＷ＝＋０．２５μｍ（設計寸法に対して０．２５μｍの太り）を有する多モード干渉デバイス１１の過剰損失特性を示す。この寸法ばらつきで製造された多モード干渉デバイス１１では、出力ＯＵＴＰＵＴＡ及びＯＵＴＰＵＴＢにおける過剰損失特性が波長１５３０〜１５７０ｎｍにおいて１ｄＢ以下である。
【００４８】
また、図８の（ｂ）部は、加工ばらつきｄＷ＝＋０．３０μｍ（設計寸法に対して０．３０μｍの太り）を有する多モード干渉デバイス１１の過剰損失特性を示す。この寸法ばらつきで製造された多モード干渉デバイス１１では、波長１５３０〜１５７０ｎｍにおいて、出力ＯＵＴＰＵＴＡにおける過剰損失特性は１ｄＢ程度であるが、出力ＯＵＴＰＵＴＢにおける過剰損失特性は、１ｄＢを超えている。
【００４９】
図９の（ａ）部は、加工ばらつきｄＷ＝−０．２５μｍ（設計寸法に対して０．２５μｍの細り）を有する多モード干渉デバイス１１の過剰損失特性を示す。この寸法ばらつきで製造された多モード干渉デバイス１１では、出力ＯＵＴＰＵＴＡおよび出力ＯＵＴＰＵＴＢにおける過剰損失特性は波長１５３０〜１５７０ｎｍにおいて１ｄＢを超えている。
【００５０】
また、図９の（ｂ）部は、加工ばらつきｄＷ＝−０．２０μｍ（設計寸法に対して０．２０μｍの細り）を有する多モード干渉デバイス１１の過剰損失特性を示す。この寸法ばらつきで製造された多モード干渉デバイス１１では、出力ＯＵＴＰＵＴＡおよび出力ＯＵＴＰＵＴＢにおける過剰損失特性は波長１５３０〜１５７０ｎｍにおいて１ｄＢ以下である。
【００５１】
図１０の（ａ）部は、加工ばらつきｄＷ＝＋０．０５μｍ（設計寸法に対して０．０５μｍの太り）を有する多モード干渉デバイス１１の過剰損失特性を示す。この寸法ばらつきで製造された多モード干渉デバイス１１では、出力ＯＵＴＰＵＴＡおよび出力ＯＵＴＰＵＴＢにおける過剰損失特性は波長１５３０〜１５７０ｎｍにおいて、１ｄＢ以下である。
【００５２】
また、図１０の（ｂ）部は、加工ばらつきｄＷ＝＋０．１０μｍ（設計寸法に対して０．１０μｍの太り）を有する多モード干渉デバイス１１の過剰損失特性を示す。この寸法ばらつきで製造された多モード干渉デバイス１１では、出力ＯＵＴＰＵＴＡおよび出力ＯＵＴＰＵＴＢにおける過剰損失特性は波長１５３０〜１５７０ｎｍにおいて、１ｄＢ以上である。
【００５３】
入力ポートＩＮＰＵＴ１から光入力を行う形態では、図７及び図８の損失特性から理解されるように、波長１５３０〜１５７０ｎｍの範囲における損失１ｄＢ以下の過剰損失特性は、ＭＭＩ幅−０．０５μｍ〜＋０．２５μｍの範囲において達成される。入力ポートＩＮＰＵＴ２から光入力を行う形態では、図９及び図１０の損失特性から理解されるように、波長１５３０〜１５７０ｎｍの範囲における損失１ｄＢ以下の過剰損失特性は、ＭＭＩ幅−０．２０μｍ〜＋０．０５μｍの範囲において達成される。これらの結果は、ＭＭＩ幅ずれ量に応じて入力ポートを選択することにより、製造プロセスの寸法加工精度を−０．２０μｍ〜＋０．２５μｍに緩和できることを示す。
【００５４】
再び図１を参照しながら、多モード干渉デバイス１１を説明する。多モード干渉デバイス１１では、第１１導波路１５の中心線Ｃ１は第１位置Ｐ１で第１基準面Ｒｅｆ１に交差し、第２１導波路１９の中心線Ｃ２は第２位置Ｐ２で第２基準面Ｒｅｆ２に交差する。第１位置Ｐ１及び第２位置Ｐ２は第２軸Ａｘ２上に位置する。第１２導波路１７の中心線Ｃ３は第３位置Ｐ３で第１基準面Ｒｅｆ１に交差し、第２２導波路２１の中心線Ｃ４は第４位置Ｐ４で第２基準面Ｒｅｆ２に交差する。第３位置Ｐ３及び第４位置Ｐ４は第３軸Ａｘ３上に位置する。軸Ａｘ、Ａｘ２、Ａｘ３は互いに交差しない。本実施例では、第２軸Ａｘ２は第３軸Ａｘ３に平行である。
【００５５】
この多モード干渉デバイス１１によれば、第１位置Ｐ１及び第２位置Ｐ２は第２軸Ａｘ２上に位置するように、第１１導波路１５及び第２１導波路１９が多モード導波路１３に結合されると共に、第３位置Ｐ３及び第４位置Ｐ４が第３軸Ａｘ３上に位置するように、第１２導波路１７及び第２２導波路２１が多モード導波路１３に結合される。この多モード干渉デバイス１１の構造は、製造プロセスの加工ばらつきに対抗して波長損失特性を所望の波長帯域に達成することが容易になる。
【００５６】
第２軸Ａｘ２上における第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との距離Ｌ２は、ＭＭＩ長Ｌと異なる。第３軸Ａｘ３上における第３位置Ｐ３と第４位置Ｐ４との距離Ｌ３は、ＭＭＩ長Ｌと異なる。距離Ｌ２は距離Ｌ３と異なる。中心線Ｃ１、Ｃ３は、それぞれ、点Ｐ１、Ｐ３において、軸Ａｘ２になめらかに接続される。中心線Ｃ２、Ｃ４は、それぞれ、点Ｐ２、Ｐ４において、軸Ａｘ３になめらかに接続される。
【００５７】
この多モード干渉デバイス１１によれば、距離Ｌ２が距離Ｌ３と異なる多モード干渉デバイスの構造では、製造プロセスの加工ばらつきに対抗して波長損失特性が所望の波長帯域に満たす設計が容易になる。
【００５８】
また、第１１導波路１５の外側側面１５ａが第１側面２３ａに連続的に繋がり、第２１導波路１９の外側側面１９ａが第１側面２３ａに連続的に繋がる。また、第１２導波路１７の外側側面１７ａが第２側面２３ｂに連続的に繋がり、第２２導波路２１の外側側面２１ａが第２側面２３ｂに連続的に繋がる。
【００５９】
第１１導波路１５の外側側面１５ａ及び第２１導波路１９の外側側面１９ａが第１側面２３ａに連続的に繋がる共に第１２導波路１７の外側側面１７ａ及び第２２導波路２１の外側側面２１ａが第１側面２３ｂに連続的に繋がる構造では、多モード導波路１３の側面と導波路側面とが互いに連続的に接続されるので、製造プロセスの加工ばらつきに対抗して波長損失特性が所望の波長帯域に満たす設計が容易になる。
【００６０】
本実施例では、第１端面２５ａは、第１１導波路１５の内側側面１５ｂと第１２導波路１７の内側側面１７ｂとを接続する接続面である。第２端面２５ｂは第２１導波路１９の内側側面１９ｂと第２２導波路２１の内側側面２１ｂとを接続する別の接続面である。この多モード干渉デバイスによれば、第１端面２５ａの接続面は、第１基準面Ｒｅｆ１に沿って延在して第１１導波路１５の内側側面１５ｂを第１２導波路１７の内側側面１７ｂに繋ぐ。また、第２端面２５ｂの接続面は、第２基準面Ｒｅｆ２に沿って延在して第２１導波路１９の内側側面１９ｂを第２２導波路２１の内側側面２１ｂに繋ぐ。この多モード干渉デバイス１１では、第１１導波路１５及び第１２導波路１７は第１端面２５ａにおいて隣り合い、第２１導波路１９及び第２２導波路２１は第２端面２５ａにおいて隣り合う。この構造は、製造プロセスの加工ばらつきに対抗して波長損失特性が所望の波長帯域に満たす設計を容易にする。
【００６１】
図１の（ａ）部に示されるように、本実施例では、第２基準面Ｒｅｆ２が軸Ａｘに直交すると共に、第１基準面Ｒｅｆ１が軸Ａｘに対して傾斜する。
【００６２】
既に説明したように、多モード干渉デバイス１１では、多モード導波路１３、第１１導波路１５、第１２導波路１７、第２１導波路１９、及び第２２導波路２１は、図１の（ｂ）部に示されるように、２つのクラッド層２ａ、２ｂとこれらのクラッド層２ａ、２ｂで挟まれるコア層４とを含む導波路構造６を有する。導波路構造６は基板８上に設けられ、埋め込み領域１０で埋め込まれている。
【００６３】
一実施例では、この導波路構造は、第１ＩｎＰクラッド層、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ量子井戸構造、及び第２ＩｎＰクラッド層を含むことができる。第１ＩｎＰクラッド層、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ量子井戸構造、及び第２ＩｎＰクラッド層は半絶縁性ＩｎＰ基板上に順に配列されている。多モード干渉デバイス１１の構造を適用可能な材料として、ＩｎＧａＡｓＰの他、Ｓｉ導波路、ＳｉＯ２導波路等も用いることができる。
【００６４】
多モード干渉デバイス１１は、図１に示されるような２×２構造に好適に適用される。２×２構造によれば、製造プロセスの加工ばらつきに対抗して、広い波長帯域において所望の波長損失特性を満足するマッハツェンダ干渉器を作成出来る。
【００６５】
図１１は、マッハツェンダ干渉器を示す図面である。マッハツェンダ干渉器５１は、第１の分岐導波路５３と、第２の分岐導波路５５と、第１アーム導波路５７と、第２アーム導波路５９とを備える。第１アーム導波路５７は第１の分岐導波路５３と第２の分岐導波路５５とを接続する。第２アーム導波路５９は第１の分岐導波路５３と第２の分岐導波路５５とを接続する。第１の分岐導波路５３は、多モード干渉デバイス１１を含むことができる。マッハツェンダ干渉器５１によれば、製造プロセスの加工ばらつきに対抗して、広い波長帯域において所望の波長損失特性が達成される。第１の分岐導波路５３内の多モード干渉デバイスの２つの入力ポートには、それぞれ、２つの第１導波路６１ａ、６１ｂが接続される。多モード干渉デバイス１１の２つの出力ポートには、それぞれ、第１アーム導波路５７及び第２アーム導波路５９が接続される。第１アーム導波路５７及び第２アーム導波路５９の各々には、位相制御電極が設けられている。第２の分岐導波路５５内の多モード干渉デバイスの２つの出力ポートには、それぞれ、２つの第２導波路６３ａ、６３ｂが接続される。多モード干渉デバイスの２つの入力ポートには、それぞれ、第１アーム導波路５７及び第２アーム導波路５９が接続される。
【００６６】
また、マッハツェンダ干渉器５１では、第２の分岐導波路５５が多モード干渉デバイス１１を含むことができる。第１の分岐導波路５３のみが多モード干渉デバイス１１を含むことができ、第２の分岐導波路５５のみが多モード干渉デバイス１１を含むことができる。
【００６７】
２つの第２導波路６３ａ、６３ｂには、それぞれ、第１及び第２の光モニタ６５ａ、６５ｂが設けられる。これらの光モニタ６５（６５ａ、６５ｂ）は光出力レベルのモニタとして使用される。
【００６８】
多モード干渉デバイス１１を用いて光のマッハツェンダ干渉器（ＭＺ１）を構成できる。このマッハツェンダ干渉器は、入射光を２分岐するＭＭＩと、光の位相を調整する２本のアーム導波路と、これらのアームからの光を合波するＭＭＩとを備える。図１１に示されるマッハツェンダ干渉器５１の例では、光の合分波に２入力・２出力のＭＭＩを用い、各アームに設けた位相制御電極への電圧印加により導波路の屈折率変化を変化させて光の位相調整を行う。
【００６９】
図１２は、一実施例に係るマッハツェンダ干渉器を示す図面である。マッハツェンダ変調器の入力側のＭＭＩは出力側のＭＭＩと同じ構造であることが好ましく、入力側のＭＭＩの入力ポートが出力側のＭＭＩでは出力ポートとして接続されるように、マッハツェンダ変調器に組み込まれて、出力側のＭＭＩが入力側のＭＭＩに対して２×２入出力を反転させて構成したＭＺＩ回路が提供される。このＭＺＩ回路では、ＭＭＩ幅ずれの際に、焦点ずれが小さいポート同士を組み合わせて入出力ポートを構成でき、ＭＺＩ回路で損失の上昇を抑制可能である。これによれば、プロセス精度に起因するＭＭＩ幅ずれが生じる場合でも損失の抑制が可能である。
【００７０】
ＭＺＩ回路では、一対のアーム導波路が、それぞれ、第２端面２５ｂに接続される光導波路１９、２１に結合される。光入力及び光出力に用いられる光導波路が、第１端面２５ａに接続される光導波路１５、１７に結合される。図１の（ａ）部に示されるように、本実施例では、第２端面２５ｂに係る第２基準面Ｒｅｆ２が軸Ａｘに直交すると共に、第１端面２５ａに係る第１基準面Ｒｅｆ１が軸Ａｘに対して傾斜する。
【００７１】
図１３は、ＭＺＩ回路における損失特性を示す図面である。図１３の（ａ）部に示されるように、図２に示されるＭＭＩを用いたＭＺＩ回路における幅ずれの許容範囲は、図１１に示されたＭＺＩ回路において、入力ポートＩＮＰＵＴ１から出力ポートＯＵＴＯＵＴ２への経路を用いて見積もることができ、その値は、損失特性２ｄＢ以下の条件で、−０．１０μｍ〜＋０．１５μｍである。一方、ＭＭＩ幅ずれに応じて、ＭＺＩ回路に入力ポート及び出力ポートを切り替えることによって、図１に示されるＭＭＩを用いたＭＺＩ回路における幅ずれの許容範囲は、図１３の（ｂ）部に示されるように、損失特性２ｄＢ以下の条件で−０．２０μｍ〜＋０．２５μｍである。この切り替えにより、以下の４経路のうち小さい損失の経路を利用できる。
入力ポートＩＮＰＵＴ１から出力ポートＯＵＴＯＵＴ２への経路。
入力ポートＩＮＰＵＴ１から出力ポートＯＵＴＯＵＴ１への経路。
入力ポートＩＮＰＵＴ２から出力ポートＯＵＴＯＵＴ２への経路。
入力ポートＩＮＰＵＴ２から出力ポートＯＵＴＯＵＴ１への経路。
【００７２】
本実施の形態では、Ｎ個の入力ポート、Ｍ個の出力ポートを有するＭＭＩにおいて、出力ポートが物理的に接続される出力端面と各入力ポート端面との距離が互いに異なるようにしてもよい。加工ばらつきによりＭＭＩ幅が設計値から外れたときに、ＭＭＩが、出力ポートにおける小さい焦点ずれの入力ポートを有するようにできる。プロセス精度に起因するＭＭＩ幅ずれに起因する損失抑制が可能になる。好ましくは、ＭＭＩは２×２構造を有することができる。これらのＭＭＩは、例えばマッハツェンダ変調器といった導波路型光デバイスに適用可能である。
【００７３】
図１４は、本実施の形態に係る光導波路デバイスを設計する方法の一例を示す図面である。工程Ｓ１０１では、ＭＭＩの導波路幅Ｗ１を決定する。この際に、導波路幅Ｗ１の導波路が、高次モードを生成することなくシングルモード導波路であり、また曲げ導波路部で損失が著しく発生しないことに留意する。工程Ｓ１０２では、ポート間隔Ｇを決定する。ポート間隔Ｇは、フォトリソグラフィ及びリアクティブイオンエッチングのプロセス精度に関連するので、プロセスウインドウを考慮する。工程Ｓ１０３では、ＭＭＩ幅ＷＭを決定する。決定されたＭＭＩ幅ＷＭは例えば（2×Ｗ１＋Ｇ）で表される。工程Ｓ１０４では、ＭＭＩの等価幅Ｗｅを算出する。工程Ｓ１０５では、ＭＭＩにおける０次モードと１次モードのビート長Ｌπを算出する。工程Ｓ１０６では、ＭＭＩ長Ｌをパワー等分岐距離として決定する。パワー等分岐距離Ｌは、例えば３×Ｌπ／２であり、またこの値の整数倍であることができる。工程Ｓ１０７では、ＭＭＩにおけるオフセット量を決定する。工程Ｓ１０８では、オフセット有りのＭＭＩ構造及びオフセット無しのＭＭＩ構造のシミュレーションを行う。このシミュレーションは例えばビーム伝搬法（ＢＰＭ）により行われることができる。これにより、ＭＭＩ過剰損失を見積もることができる。工程Ｓ１０９では、ＭＭＩの設計値に基づき、ＭＭＩを作製する。
【００７４】
図１５は、本実施の形態に係る光導波路デバイスを作製する方法における主要な工程を示す図面である。工程Ｓ２０１では、本実施の形態に係る多モード干渉デバイスを含む光導波路デバイスを加工により形成する。工程Ｓ２０２では、この光導波路デバイスの多モード干渉デバイスの第１１導波路及び第１２導波路のいずれか一方から多モード干渉デバイスの多モード導波路を介して第２１導波路及び第２２導波路の個々に光を通過させる第１及び第２形態で光導波路デバイスの特性を測定して特性を得る。工程Ｓ２０３では、第１１導波路及び第１２導波路のいずれか他方から多モード干渉デバイスの多モード導波路を介して第２１導波路及び第２２導波路の個々に光を通過させる第３及び第４形態で光導波路デバイスの特性を測定して第２特性を得る。工程Ｓ２０４では、第１特性及び第２特性の比較に基づき、これらの形態のいずれを光導波路デバイスに適用するかを決定する。工程Ｓ２０５では、この決定に応じて、光導波路デバイスにマーキングを行う。このマーキングは、使用可能なポートを示す。これにより、使用ポートが決定された光導波路デバイスを作製する。
【００７５】
この作製方法によれば、複数の特性の比較に基づき、いくかの形態のいずれを光導波路デバイスの使用に適用するかを決定するとき、製造プロセスの加工ばらつきに対抗して、所望の波長帯域において所望の波長損失特性を達成できる光導波路デバイスを作製できる。また、光導波路デバイスはマッハツェンダ干渉器を含むことができる。製造プロセスの加工ばらつきに対抗して、広い波長帯域において所望の波長損失特性を達成できるマッハツェンダ干渉器を光導波路デバイスに提供できる。
【００７６】
本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
１１…多モード干渉デバイス（ＭＭＩ）、１３…多モード導波路、１５…第１１導波路、１７…第１２導波路、１９…第２１導波路、２１…第２２導波路、２３ａ…第１側面、２３ｂ…第２側面、２５ａ…第１端面、２５ｂ…第２端面、Ａｘ、Ａｘ２、Ａｘ３…軸、Ｒｅｆ１、Ｒｅｆ２、Ｒｅｆ０…基準面、Ｗ１…導波路幅、Ｇ…導波路間隔、Ｗ…多モード導波路幅、Ｌ…多モード導波路長、２ａ、２ｂ…クラッド層、４…コア層、６…導波路構造、８…基板、１０…埋め込み領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１４】
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