(57)【要約】  本発明は多層の第３族−５族半導体構造で動作可能な集積化光通信装置を記述し、該装置は、半導体基板と、１の成長工程においてこの基板上で成長したエピタキシャル半導体構造と、共通導波路と、複数の波長指定導波路とを有し、全導波路は従来の半導体処理技術を用いてこのエピタキシャル構造内に形成されている。各導波路はそのコア領域のバンドギャップ波長で定められかつ全導波路はバンドギャップ波長が高くなる順に鉛直に配列され、前記共通導波路は前記構造の底におかれ、かつ最長のバンドギャップ波長をもつ前記波長指定導波路は前記構造の頂点におかれている。動作の際は、前記共通導波路のバンドギャップ波長は任意の動作用波長の十分下であるため、前記共通導波路を通して各動作用波長のその波長指定導波路への低損失伝播の条件を提供する。本発明は、共通導波路（に対し）から波長指定導波路（から）に鉛直方向に分離（結合）することによって前記集積化光通信装置内で共通の方向にまたは双方向に伝播する複数の波長の光信号に対する波長を（逆）多重化する方法を開示している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基体と、前記半導体基体上に成長したエピタキシャル半導体構造とを有し、
前記基体は、エピタキシャル半導体成長を支持し、
前記エピタキシャル半導体構造は１工程で成長し、かつ、共通導波路と光学的に所定の距離をもって並んだ複数の前記指定導波路の内の少なくとも１とを有し、
前記共通導波路は、前記エピタキシャル半導体構造内の所定位置にあって予め定めた第１の波長範囲内で光信号の伝播を支持しかつ少なくとも１のバンドギャップ波長によって特徴付けられており、
前記複数の指定導波路は前記共通導波路上にバンドギャップ波長が増大する順に設けられ、かつその各々は予め定めた第２の波長範囲内で光信号の伝播を支持し、前記予め定めた第２の波長範囲は、前記予め定めた第１の波長範囲内にある第３族−第５族半導体物質系で実施可能な集積化光通信装置。
【請求項２】
前記共通導波路の前記バンドギャップ波長は、少なくとも１の第１の所定の波長の変位により、任意の前記複数の指定導波路の所定の第２の波長範囲より下である請求項１に記載の集積化光通信装置。
【請求項３】
前記共通導波路の前記バンドギャップ波長は、少なくとも１の第２の所定の波長の変位により、前記複数の指定導波路の前記所定の全部の第２の波長範囲より下である請求項１および請求項２のいずれかに記載の集積化光通信装置。
【請求項４】
任意の前記複数の指定導波路の前記バンドギャップ波長は前記複数の指定導波路の先行する指定導波路の前記動作用波長に接近しまたはその上であり、先行する指定導波路は、前記選択した指定導波路の下でかつそれに接近して鉛直方向に設けられており、前記指定導波路の前記バンドギャップ波長は先行する指定導波路の第３の所定波長範囲内にある請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の集積化光通信装置。
【請求項５】
前記共通導波路と結合しかつ該共通導波路内を伝播しかつ前記所定の第１の波長範囲内に動作用波長をもっている光信号が、断熱的に前記複数の指定導波路の内の１の指定導波路に、任意の他の前記指定導波路との意味のある相互作用せずに移動し、前記複数の指定導波路の内の前記１の指定導波路は、前記光信号の少なくとも前記動作用波長に応じて決定される請求項１乃至請求項４のいずれに記載の集積化光通信装置。
【請求項６】
前記複数の指定導波路内の１内で生成された放射された光信号は断熱的に前記複数の指定導波路の内の任意の他の前記指定導波路との意味のある相互作用をすることなく前記共通導波路を移動し、前記放射された光信号は前記複数の指定導波路の内の１の前記所定の第２の波長の範囲内にありかつ前記共通導波路の前記所定の第１の波長範囲内にある請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の集積化光通信装置。
【請求項７】
前記複数の指定導波路の各々は、少なくとも１の導波路回路を有し、前記導波路回路は発光器および光検出器の１を有する請求項１乃至請求項６のいずれか記載の集積化光通信装置。
【請求項８】
前記複数の指定導波路の各々は、少なくとも１の導波路回路を有し、該導波路回路は、その指定導波路の１の電極に適用される少なくとも１のバイアスポテンシャルに応じてその指定導波路の発光器および光検出器の１として機能する請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の集積化光通信装置。
【請求項９】
前記複数の指定導波路の各々は発光器を有する請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の集積化光通信装置。
【請求項１０】
前記複数の指定導波路の各々は、光検出器を有する請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の集積化光通信装置。
【請求項１１】
前記複数の指定導波路の内の少なくとも１は、少なくとも１の発光器および第１の光検出器を有し、前記複数の指定導波路の内の少なくとも１の他の指定導波路は、第２の光検出器を有する請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の集積化光通信装置。
【請求項１２】
前記複数の指定導波路の内の少なくとも１は発光器を有し、前記複数の指定導波路の内の少なくとも１の他の指定導波路は、光学的変調機を有する請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の集積化光通信装置。
【請求項１３】
半導体基体を提供する工程と、
半導体基体上にエピタキシャル半導体構造を成長させる工程とを有するとともに、前記基体は、エピタキシャル半導体成長を支持し、
前記エピタキシャル半導体構造は、１の成長工程で成長し、前記成長したエピタキシャル半導体構造は少なくとも
共通導波路と、所定の間隔で前記共通導波路と光学的に配列された複数の指定導波路のうちの少なくとも１つとを有し、
前記共通導波路は前記エピタキシャル半導体構造内の所定の位置にあって、所定の第１の波長範囲内に光信号の伝播を支持しかつ少なくとも１のバンドギャップ波長によって特徴付けられ、
前記複数の指定導波路は前記共通導波路の上に増大するバンドギャップ波長の順に配置されかつ各々は所定の第２の波長領域内の光信号の伝播を支持し、前記所定の第２の波長範囲は、前記所定の第１の波長範囲内である第３族−第５族半導体物質系を用いる光信号処理方法。
【請求項１４】
前記共通導波路を提供する工程は、少なくとも１の第１の所定の波長の変位によって、前記複数の指定導波路の所定の第２の波長範囲のいずれよりも下のバンドギャップ波長を有する光導波路を提供する工程を有する請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記共通導波路を提供する工程は、少なくとも１の第２の所定の波長の変位によって、前記複数の指定導波路の所定の第２の波長範囲の全てより下の光導波路を提供する工程を有する請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
任意の前記複数の指定導波路を提供する工程は、前記複数の指定導波路の内の先行する指定導波路の前記動作用波長に接近しまたはより上である第３の所定の波長範囲内のバンドギャップ波長をもった前記複数の指定導波路のいくつかを提供する工程を有し、前記先行する指定導波路は前記複数の導波路の内の任意のものより下でかつ接近して鉛直方向に配置された前記複数の指定導波路の内の１つであって、前記指定導波路の前記バンドギャップ波長である請求項１乃至請求項１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記共通導波路と結合しかつ該導波路内を伝播しかつ前記所定の第１の指定導波路内に動作用波長を有する光信号を提供する工程は、該光信号が、前記複数の指定導波路の内の１に、前記複数の指定導波路の内の他の任意のものと意味のある相互作用をすることなく断熱的に移動することに帰着し、前記複数の指定導波路の内の１つは少なくとも前記光信号の前記動作用波長に依存して決定される請求項１乃至請求項１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
放射した光信号を前記複数の指定導波路の１内に生成させる工程は、前記共通導波路に、前記放射した光信号が前記複数の指定導波路の内の任意の他の指定導波路と意味のある相互作用をすることなく断熱的に移動することに帰着し、前記放射した光信号は、前記複数の指定導波路の内の１の前記所定の第２の波長範囲内であって、かつ前記共通導波路の前記所定の第１の波長範囲内にある請求項１乃至請求項１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
前記複数の指定導波路の各々を提供する工程は、発光器および光検出器の内の少なくとも１を提供する工程を有する請求項１乃至請求項１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記複数の指定導波路の各々を提供する工程は、前記指定導波路に連結した電極に適用される少なくとも１のバイアスポテンシャルに応じて発光器および光検出器の内の１として機能する少なくとも１の導波路回路を提供する工程を有する請求項１乃至請求項１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
前記複数の指定導波路の各々を提供する工程は、発光器を提供する工程を有する請求項１乃至請求項２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記複数の指定導波路の各々を提供する工程は、光検出器を提供する工程を有する請求項１乃至請求項２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
前記複数の指定導波路の内の少なくとも１を提供する工程は、発光器および第１の光検出器を提供する工程を有し、
前記複数の指定導波路の内の少なくとも１の指定導波路を提供する工程は、第２の光検出器を提供する工程を有する請求項１乃至請求項２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
前記複数の指定導波路の内の少なくとも１を提供する工程は、発光器を提供する工程を有するとともに、
前記複数の指定導波路の内の少なくとも１の他の指定導波路を提供する工程は、光学的変調機を提供する工程を有し、該光学的変調機は、前記発光器によって放射した光信号を変調する請求項１乃至請求項２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
半導体基体と、前記半導体基体上で成長したエピタキシャル半導体構造とを有するとともに、
前記基体はエピタキシャル半導体成長を支持し、前記エピタキシャル半導体構造は１工程で成長し、かつ共通導波路、および所定の間隔で前記共通導波路と光学的に整列した複数の指定導波路の内の少なくとも１を有し、
前記共通導波路は、前記エピタキシャル半導体構造内における所定の位置にあり、所定の第１の波長範囲内での光信号の伝播を支持しかつ少なくとも１のバンドギャップ波長によって特徴付けられ、
前記複数の指定導波路は増大するバンドギャップ波長の順に前記共通導波路上に配置されかつ各々は所定の第２の波長範囲内で光信号の伝播を支持し、前記所定の第２の波長範囲は、前記所定の第１の波長範囲内にあるという回路が設けられ、所定の計算機フォーマットに応じたデータを格納し、かつ適当な計算機によって前記データが実行されるコンピュータによる読取可能な媒体。
【請求項２６】
半導体基体を提供する工程と、前記半導体基体上にエピタキシャル半導体構造を成長させる工程とを有し、  
前記基体はエピタキシャル半導体の成長を支持し、前記エピタキシャル半導体構造は１の成長工程で成長し、該成長したエピタキシャル半導体構造は、少なくとも共通導波路と、所定の距離の間前記共通導波路と光学的に整列した複数の指定導波路の内の少なくとも１とを提供し、
前記共通導波路は、前記エピタキシャル半導体構造内の所定の位置にあって所定の第１の波長範囲内の光信号の伝播を支持し、かつ少なくとも１のバンドギャップ波長によって特徴付けられ、
前記複数の指定導波路は、増大するバンドギャップ波長の順に前記共通導波路上に設けられ、かつ各々が所定の第２の波長範囲内での光信号の伝播を支持し、前記所定の第２の波長範囲は前記所定の第１の波長範囲内にあるところの第３族−第５族半導体物質系を用いて光信号を処理する方法が提供された、所定の計算機フォーマットに応じたデータを格納し、かつ、適当な計算機によって前記データが実行されるコンピュータによる読取可能な媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、参照することによって米国仮出願第６０／８３４,１６２号で２００６年７月３１日に出願されたものに含まれる全内容の利益を要求する。
【０００２】
本発明は集積化フォトニクスの分野に関し、特に、第３族−第５族半導体物質の光通信集積回路に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
波長帯域を多大に要求する用途に駆られて、光学的な広帯域アクセスネットワークがこの数年で急速に進展し、新しいトリプルプレーのテレコミュニケーションサービスの中心となりつつある。そのテレコミュニケーションサービスは、同一の光ファイバによってデータ、映像および音声をユーザにうまく配信する。光ファイバのアクセスネットワークへの深い浸透は、ファイバ接続路に沿ったトラヒックを駆動する光学的装置の大規模な配備を伴なっている。明らかに、光学的トランシーバ、それは下流側で受信し、上流側にデータ信号を送信するものであるが、各光学ラインの端末または／およびネットワークユーザのインタフェースにおいて配備されなければならない。したがって、そのような装置の製造についての費用対効果および規模の拡張性が、その大量生産のためのますます主要な要件となってきている。
【０００４】
したがって、種々の機能が１の光通信チップ上に一体的に集積化された光通信集積回路（ＰＩＣs）は、それらが多量の半導体ウェハ製造技術を用いる複雑な光学回路の製造を可能にする点において魅力的な技術でありかつ素子に関する解決法である。これは劇的に素子の設置面積を削減し、多重パッケージ問題を回避し、多重光学的配列を除去し、ついには需要者のフォトニクス製造物の大量生産における空前の対費用効果および量的実現可能性を達成する。
【０００５】
種々の用途に関し、光通信集積回路技術の前記利益が、レーザまたは光検出器のような能動的な導波路装置が、受動的な導波路装置および導波路回路構成の素子と結合した際に、特に、最小の、好ましくは１つだけの、光学的入力および／または出力ポートを持ったチップ上の高機能フォトニクスシステムを形成することを強いるようになってきている。能動的装置は、光信号を電気的手段によって、放射し、検出しまたは故意に変化させる（例えば、変調する）ものであるが、通常、全て、前記機能に適合したバンドギャップおよびそれらの特定の用途の波長範囲をもつ人工的に成長させた半導体で製造される。そのような半導体は前記光通信集積回路の基体物質に対し自然に選択される。例えば、リン化インジウム（InP）および関連する第３族−第５族半導体は、光ファイバ通信で使用される光通信集積回路にとって共通の物質系である。なぜならば、それらは、興味のある特定の範囲、例えば、1310nmおよび1490nm(または1550nm)の帯域で機能する能動的および受動的装置が同一のリン化インジウム基体上で組み合わされることを唯一可能としているからである。
【０００６】
エピタキシャルに成長した半導体のヘテロ構造から製造された前記光通信集積回路内の任意の導波路装置の前記機能はそのバンド構造によって、より詳細には全ての導波路層の内で最も狭いバンドギャップを特徴づける前記導波路コア層の前記バンドギャップ波長、以降、導波路バンドギャップ波長という、によって予め定められているので、機能的に異なる装置は、相性の良い異なる半導体物質から製造される。これは、基本的な要求であって、前記光通信集積回路の設計および製造の両方において深刻な影響を与えるものである。異なる導波路コア領域をもつ多重の導波路装置の一体的な集積は、次の３つの方法の内の１つによって実質上達成されることができる。
□  直接突合せ結合；選択領域のエッチングおよび再成長を含むエピタキシャル成長の多重工程を実行する能力を利用して、前記光通信集積回路のダイスを横切る共通の垂直面で空間的に水平方向に区別されている希望する前記半導体物質を提供する。
□  変形突合せ結合；単一のエピタキシャル成長の連続稼動で成長した半導体物質の選択領域の成長後の変形を利用して、前記光通信集積回路のダイスを横切る鉛直方向の導波用の共通の平面で空間的に区別される希望する半導体物質の前記領域を形成する。
□  エバネセント場結合；鉛直方向に分離しているが光学的に結合した導波路であって単一のエピタキシャル成長工程で成長したものが、希望する半導体物質、それはいまや前記光通信集積回路のダイスの前記共通の鉛直方向の積み重ねで区別されているものを提供するために採用されている。
【０００７】
これらの３つの主要な集積技術の各々は、それ自体の利点および欠点をもっているが、以降、鉛直方向の集積として呼ぶ最後のもののみが、全体の光通信集積回路がただ１つのエピタキシャル成長工程および乾性および湿性のエッチングのような標準的な半導体製造工程を用いることによってその製造を可能にする一方、各導波路装置が独立に最適化されることを可能とする。したがって、市場で利用可能な半導体処理に基づく対費用効率的な製造に対する設計の柔軟性および適正さの組み合わせが、前記鉛直集積化を、新興の需要者のフォトニクス市場をねらったユニークで汎用性のある光通信集積回路のプラットフォームとされる。
【０００８】
光遠隔通信の領域におけるそのような市場の例は、広帯域光アクセス市場であり、そこでは、種々の波長における光信号を受信し、処理しかつ送信する双方向の光トランシーバが、光学素子産業にしばしば見られる規模で求められ、電子機器需要者の生産物の規模に近づいている。したがって、広帯域の光アクセスのための光トランシーバに基づく光通信集積回路は、前記鉛直集積のプラットフォームに対する魅力的で自然な用途を提供する。
【０００９】
この半導体のプラットフォームを用いる光通信集積回路の設計者が直面している1の主要な難題は、機能的に異なりかつ鉛直方向に離れた光導波路間の光信号の効率的な遷移を提供することにある。それによって動作要件に対するコンプライアンスおよび種々の大量生産工程に対するしっかりとした解決法を提供する。ファイバ光学の遷移システムの応用では、種々の波長領域での光信号が、しばしば同一の光通信回路内で種々の組合せで検出され、処理され、かつ放射され、機能的かつ構造的に異なる光学的導波路間の鉛直方向の遷移はさらに波長特異性の種々の程度をもつべきであり、波長特異性は前記光通信回路の設計空間では、もう１つの変数である。特に、これ以降、鉛直波長（デ）マルチプレクサ（ＶＷＭ）と呼ぶ、導波路装置を提供する鉛直集積化に対する技術上の必要性があり、鉛直波長（デ）マルチプレクサは、種々の波長範囲における光信号の鉛直方向の結合および分離を可能にする。そうであるので、動作の際、各特定の波長領域における信号は、波長が指定された（共通）入力導波路から前記共通（この波長が指定された）出力導波路に、他の波長指定導波路との意味のある相互作用なしに遷移する。
【００１０】
光通信回路技術内のそのような鉛直波長（デ）マルチプレクサに対する前述の主要な要求にも拘らず、先行技術で提示された鉛直波長（デ）マルチプレクサに対する既知の一般的な解決法はない。該分野で既知の最も関連する構造は、波長の選択的な指向性のあるカップラに関係し、共鳴回折格子補助結合（例えば、R.C.Alferness, et al.,"Grating-assisted InGaAsP InP vertical co-directional coupler filter", Appl. Phys. Lett., Vol.55, P.2011, 1989）または共鳴エバネセント場結合のいずれかに基づくものである。共鳴エバネセント場は、さらに、平面導波路（例えば、V.Magnin, et al.,"Design and Optimization of a 1.3/1.55-μm Wavelength Selective p-i-n Photodiode Based on Multimode Diluted Waveguides", IEEE Photon.Technol. Lett., Vol. 17, No.2, pp.459-461, 2005）, 直線状隆起線の導波路(例えば、C.Wu,et al., "A Vertically Coupled InGaAsP/InP Directional Coupler Filter of Ultra-narrow Bandwidth", IEEE Photon. Technology Lett,. Vol.3, No. 6,pp. 519-521, 1991) およびテーパ隆起線の導波路（例えば、C.-W. Lee et al., "Asymmetric Waveguides Vertical Couplers for Polarization-Independent Coupling and Polarizaton-Mode Splitting", J. Lightwave Technol., Vol.23,No. 4, pp.1818-1826, 2005）を用いる複数の解決法にさらに分けられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】R.C.Alferness, et al.,"Grating-assisted InGaAsP InP vertical co-directional coupler filter", Appl. Phys. Lett., Vol.55, P.2011, 1989
【非特許文献２】V.Magnin, et al.,"Design and Optimization of a 1.3/1.55-μm Wavelength Selective p-i-n Photodiode Based on Multimode Diluted Waveguides", IEEE Photon.Technol. Lett., Vol. 17, No.2, pp.459-461, 2005
【非特許文献３】C.Wu,et al., "A Vertically Coupled InGaAsP/InP Directional Coupler Filter of Ultra-narrow Bandwidth", IEEE Photon. Technology Lett,. Vol.3, No. 6,pp. 519-521, 1991
【非特許文献４】C.-W. Lee et al., "Asymmetric Waveguides Vertical Couplers for Polarization-Independent Coupling and Polarizaton-Mode Splitting", J. Lightwave Technol., Vol.23,No. 4, pp.1818-1826, 2005
【００１２】
共鳴回折格子補助構造を解析すると、これらが狭い波長通過帯域の応用に対してのみ適しており、前記回折格子は前記鉛直方向の集積導波路を分離する層に形成されることを要求している。これは、1工程のエピタキシャル成長の使用、すなわち、前記鉛直集積化のプラットフォーム、すなわち、高い生産量および第３族−第５族半導体物質上に部品を製造するという低コストの方法を準備するという顕著な利益を排除する。
【００１３】
共鳴エバネセント場結合構造では、鉛直に集積化した導波路間の遷移は、伝播軸に沿った予め定めた距離で発生し、この位置は前記光信号の前記波長に特有のものである。これは劇的に回路を設計する設計者の自由を制限し、また共鳴エバネセント場結合構造を狭い通過帯域の用途にのみに限定している。
【００１４】
加えて、エピタキシャル構造または／および該装置のレイアウトの些細な変化でさえ、特定の通過帯域を越える中心波長の変位および意図した用途に対する無意味な要素を与える結果になり兼ねないので、狭い波長通過帯域構造は、厳しい製造公差を要求する。これは、著しく製造量を減少させ、したがって、性能に応じた光通信集積回路素子の製造コストを増大させる。
【００１５】
したがって、第３族−第５族半導体の光通信集積回路技術内で鉛直集積化方法に対し、構造、製造および使用についての一層の柔軟性を提供することによって、先行技術の制約を除去する解決法を提供することは有益である。さらに、その解決法が標準の半導体物質との相性が良く、唯一のエピタキシャル成長工程を用いるエピタキシャル半導体構造成長法を利用し、かつ、複数の鉛直集積化導波路装置を支持し、前記用途に合った前記波長通過帯域をもって各導波路装置が種々の動作波長範囲で作動するならば、さらに有益である。
【発明の目的】
【００１６】
前記発明の目的は、複数の波長範囲内の光信号の制御可能で低損失遷移のための非共鳴型の断熱的な鉛直波長（デ）マルチプレクサである。前記光信号は共通方向または双方向に同一の共通導波路内で、鉛直に分離した複数の波長指定導波路に伝播し、各導波路は特定の波長範囲に対応し、前記共通導波路および波長指定導波路の全ては、同一の半導体基体上に一体的に集積化されている。
【発明の概要】
【００１７】
前記発明によると、半導体基体と、１の成長工程でこの基体上に成長したエピタキシャル半導体と、動作用波長の十分下のバンドギャップ波長を持った共通導波路と、種々のバンドギャップ波長をもった複数の波長指定導波路が設けられ、全ての導波路はこのエピタキシャル構造に形成され、かつそれらのバンドギャップ波長が増大する順に鉛直方向に集積化され、横方向に半導体のエッチング処理によって形成されかつ共通の伝播方向に配列されるとともに、共通導波路内を伝播する予め定めた複数の波長範囲内の光信号が、光信号を各々複数の指定導波路内に対して上方および下方に移動することによってこの導波路に対して双方向に遷移することができる。
【００１８】
共通導波路から各指定導波路へ導かれた光信号の断熱的で鉛直方向の遷移は、光信号の波長、エピタキシャル構造および導波路の配置に依存し、動作時にあっては、前記遷移は、回路設計者によって定めたようなある距離で起こり、指定導波路のバンドギャップ波長が長ければ長いほど、この波長で導かれた光は、適当な指定導波路に断熱的に移動される前に共通導波路をより遠く伝播する。この導波路と共通導波路との間の指定導波路の各々の動作用波長における光の遷移に対する設計上の制御は、伝播方向に沿った予め定めた距離での２つの導波路の間の波動インピーダンスに合致するように使用された多重レベルの横方向のテーパを通して達成される。
【００１９】
光信号は共通方向にまたは双方向に共通導波路内を伝播するのであるが、都合の良いことには、この方法はこの導波路と鉛直方向に集積化された複数の指定導波路との間で、光信号の鉛直方向の分離／結合を可能にし、したがって、前記導波路装置が、種々の波長内で、同一の基体上に、入力／出力光学ポートまたは／および光学回路の他のポートと接続された前記共通導波路とともに一体的に集積化されることを可能とする。
【００２０】
上記種類の最も簡単な集積化光通信装置は、２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサであって、そこでは、２つの指定導波路が、２つの異なる波長、λ２＞λ１のようなλ１とλ２で作動する導波路装置を形成し、前記導波路装置は、同一の基体に鉛直方向に集積化され、共用する光入力ポートまたは出力ポートと接続する共通導波路上で、より短い前記動作用波長をもつように指定され以下第１の指定導波路と呼ぶ導波路は、より長い動作用波長をもつように指定され以下第２の指定導波路と呼ぶ導波路よりも前記光学回路の前記共用の光入力ポートまたは出力ポートにより接近しかつエピタキシャル構造中においてはより低いレベルに位置している。
【００２１】
２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサおよびさらに言えば任意の他の鉛直波長（デ）マルチプレクサにおける共通導波路は本来受動的導波路である。これはそのバンドギャップ波長がその鉛直波長（デ）マルチプレクサ内を伝播する光信号のどんな動作用波長よりも十分に低いからである。指定された前記装置に関しては、これらはいずれも受動的（指定された波長は、バンドギャップ波長よりも明らかに短い）または能動的導波路（指定された波長は前記バンドギャップ波長に接近しまたはすぐ上）または受動的導波路および指定導波路の任意の組み合わせである。通常、受動的導波路は、前記光通信集積回路の入力／出力光ポートをその光通信集積回路の他の部分と接続されるのに役立つが、それはまた、方向性カップラまたは種々の平面状の（デ）マルチプレクサのように、操作のための光−電気または電気−光変換を要求しないような他の集積化光通信回路配置の一部でもある。通常、能動的導波路、典型的には、光通信構造を含有するものは、例えば、光信号の生成（レーザ）または光信号の検出（光検出器）のように、逆に光−電気または電気−光変換を提供することに役立つ。下記の２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサの具体的な実施の形態において、両方の指定導波路は能動的導波路であるが、いわゆる当業者は簡単に同一の構造および動作原理がどのように受動的導波路、または能動的導波路と受動的導波路の組み合わせに拡張されるかを簡単にわかるだろう。
【００２２】
２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサの第１の具体的な実施の形態にあっては、前記第１の指定導波路装置は前記レーザであり、前記第２の指定導波路装置は光検出器であり、したがって、一体的に集積化された双方向のトランシーバを可能にし、そのトランシーバ中には入力光信号はより長い波長で受信され出力光信号はより短い波長で生成される。λ１＝1310nmおよびλ２＝1490nm（または代わりに1555nm）という特別な場合には、この実施の形態は、単一のファイバ双方向光トランシーバであって光通信ネットワーク装置(ＯＮＵ)の家庭までのファイバ接続（ＦＴＴＨ）受動的光通信ネットワークへの応用に関係する。
【００２３】
２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサの第２の具体的な実施の形態において、前記第１の指定導波路装置は、前記検出器であり、前記第２の指定導波路装置は、前記レーザであり、したがって、一体的に集積化された逆の双方向トランシーバを可能にし、該トランシーバ内では入力する光信号はより短い波長で検出され出力する光信号はより長い波長で生成される。λ２＝1490nm（または代わりに1555nm）およびλ１＝1310nmの特別の場合には、この実施の形態は、単一ファイバ双方向の光トランシーバであって、ファイバ接続の受動的光通信ネットワークにおける光通信ラインの端末（ＯＬＴ）への応用に関係している。
【００２４】
前記２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサの第３の具体的な実施の形態において、前記第１および第２の指定導波路装置のいずれもレーザであり、したがって、一体的に集積化された２色の送信機が可能であり、その中では出力光信号は２つの異なる波長範囲内で独立に生成される。
【００２５】
２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサの第４の具体的な実施の形態において、前記第１および第２の指定導波路装置はいずれも光検出器である。したがって、一体的に集積化された２色の受信機が可能であり、該受信機内では、入力する光信号は独立に２つの異なる波長範囲内で検出される。
【００２６】
いわゆる当業者にとって、多重波長の送信機と受信機の他の組合せが、能動的または受動的な導波路の間またはそれらの組合せによるそれらのいずれかの多重レベルのさらなる集積化によって可能であろうことは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本発明の具体的な実施の形態は次の図面とともに記述される。該図面には、
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る１つの共通導波路および２つの指定導波路をもつ２つの波長の集積化された鉛直波長（デ）マルチプレクサを提供する３次元概略図を示す。
【図２】図２ａは、実施の形態に係る２つの波長の受信機の光信号の流れを示す。図２ｂは、実施の形態に係る２つの波長の送信機の光信号の流れを示す。図２ｃは、より短い波長の送信機およびより長い波長の受信機を持った双方向のトランシーバ内の前記光信号の流れを示す。図２ｄは、より短い波長の受信機およびより長い波長の送信機を持った双方向のトランシーバ内の前記光信号の流れを示す。
【図２ｅ】図２ｅは、図１のディプレクサーの実施の形態に対する具体的なエピタキシャル構造を示す。
【図３】図３ａは、図１に示した具体的な実施の形態に係る３つの断面の位置を定義し、その断面は前記伝播方向に垂直である。図３ｂは、図１に示した具体的な実施の形態に係る第１の断面での第１の波長λ１＝1310nmで導かれた光学モードの２次元分布図を示し、この断面において、第２の波長λ２＝1555nmで導かれた光学モードの２次元分布図は第１の波長λ１＝1310nmのものと同一である。図３ｃは図１に示した具体的な実施の形態に係る前記第２の断面で見られる前記第１の波長λ１＝1310nmで導かれた光学モードの前記２次元分布図を示す。図３ｄは、図１で示した具体的な実施の形態に係る前記第２の断面で見られる前記第２の波長λ２＝1555nmで導かれた光学モードの前記２次元分布図を示す。図３eは、図１で示した具体的な実施の形態に係る第３の断面で見られる前記第２の波長λ２＝1555nmで導かれた光学モードの前記２次元分布図を示す。
【図４】図４は、図２で詳述された本発明の実施の形態に係る前記第１の指定導波路のテーパ幅の関数として各々プロットされた前記第１および第２の波長、λ２＝1555nm、λ２＝1555nmでの伝播モードの有効屈折率を示す。
【図５】図５は、本発明の他の具体的な実施の形態に係る改良されたフィルタリング特性をもつ２つの波長の集積化鉛直波長（デ）マルチプレクサを提供する３次元該略図を示す。
【本発明の実施の形態の詳細な説明】
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０であって、１の共通導波路１１０と２つの指定導波路１２０，１３０が同一の半導体基体１００に集積化されたことを特徴とするものを提供する３次元概略図である。
【００２９】
これらの３つの導波路１１０乃至１３０の各々は、周囲のクラッド層のバンドギャップ波長よりも長いバンドギャップ波長λＧによって定義される導波層を有する。共通導波路１１０の導波層内のバンドギャップ波長λＧ０は、第１の指定導波路１２０のバンドギャップ波長λＧ１よりも短く、該第１の指定導波路１２０は、次に第２の指定導波路１３０のバンドギャップ波長λＧ２よりも短い、すなわち、λＧ０＜λＧ１＜λＧ２である。言い換えれば、３つの全ての導波路１１０乃至１３０は、鉛直に集積化されかつ縦方向（すなわち、伝播方向）に半導体処理工程によってそれらの導波層中のバンドギャップ波長の小さい順で区別されている。
【００３０】
波長λ１１０１およびλ２１０２に中心がある２つの動作用波長範囲、以後、簡単のために動作用波長λ１１０１およびλ２１０２と呼ぶ、を考える。両方の動作用波長λ１１０１およびλ２１０２は、前記共通導波路のバンドギャップ波長よりも長くかつそれらの対応する指定導波路、すなわち、λＧ０＜λ１（２）＜λＧ１（２）の導波層におけるバンドギャップ波長に接近しまたはより低い。
【００３１】
いわゆる当業者であれば、第３族および第５族の直接のバンドギャップ半導体は屈折率ｎをもち、それはそのバンドギャップ波長λＧと光学場の波長λとの間の関係、例えば、任意の与えられたλにおいて、λＧが長くなれば、ｎは高くなる一方、任意の与えられたλＧに対して、λ＝λＧの近傍での異常分散の狭い波長範囲の外側でλが長くなればｎは低くなるように依存することを理解している。したがって、図１に示した導波路装置における任意の動作用波長において、３つの導波路１１０乃至１３０の各々における導波層は隣接する層での屈折率よりも高い屈折率をもち、そのことはこの層の周囲の光学場の鉛直方向の閉じ込めの条件であることが理解される。
【００３２】
しかしながら、この条件は、そのような閉じ込めが現実に起こりうるためには十分ではない。隣接する層よりも高い屈折率をもつ導波層のこの層を中心にして閉じ込められた導波モードを支える能力は、前記導波路の横方向の構造に依存する。特に、鉛直のエッチングによって横方向に囲まれた隆起した導波路内の上記導波層は、もし前記エッチングがこの導波層の上で止まるならば常に少なくとも１の導波モードを支えるが、この場合は、以後、浅いエッチング隆起導波路と呼ぶ。もし、前記エッチングがこの層を貫通するならば、導波モードを全く支えないが、この場合は、以後、深いエッチング隆起導波路と呼び、前記隆起の幅ｗは、所定の臨界カットオフ幅、ｗＣＯよりは狭い。前記導波路の与えられた層構造および配置に対して、ｗＣＯ（λ）は、より短いλに対してはより狭く、より長いλに対してはより広いように、最後のパラメータは波長に依存し、このことは波長に敏感な導波を可能にし、与えられた隆起の幅ｗに対して、λＣＯよりも短い波長での光学場は、カットオフ条件：ｗＣＯ（λＣＯ）＝ｗから決定されて、導波されかつそれらはより長い波長では導波されない。
【００３３】
図１に示された前記導波路装置の層構造および配置は、前記共通導波路１１０の浅いエッチング隆起導波路１１２、前記第１の指定導波路１２０に対しては前記深いエッチング隆起導波路１２２，１２４，１２６、前記第２の指定導波路１３０に対しては深いエッチング隆起導波路１３２，１３４をもち、動作中に、任意の与えられた偏光に対して、
○  前記共通導波路１１０は、２つの波長λ１１０１およびλ２１０２の各々で唯一の導波された光学モードを支持する。
○  前記第１の指定導波路１２０は、前記第１の波長λ１１０１の上であるが、第２の波長λ２１０２より下、すなわち、λ１＜λＣＯ１＜λ２の基本モードのカットオフ波長をもっている。
○  前記第２の指定導波路１３０は前記第２の波長λ２１０２より上、すなわち、λＣＯ２＜λ２の基本モードのカットオフ波長をもっている。前記第１および第２の指定導波路１２０，１３０は各々、現実に、これらの層が前記深いエッチング隆起の部分として存在しかつその隆起の幅がカットオフの隆起の幅よりも大きい場合のみの導波層内で光学場を導波することができる。
ように設計されている。
【００３４】
したがって、前記共通導波路および波長の指定された波長指定導波路を特徴とする前記層構造を、前記共通導波路１１０内の弱く導波された光学モードがその上にある前記指定導波路と、エバネセントに結合されるように設計することによって、かつ、前記指定導波路１２０，１３０内の隆起層の横方向へのテーパによって、前記共通導波路１１０内の光学モードが断熱的に前記第１および第２の指定導波路１２０，１３０へ移送される条件を生み出すことができる。
【００３５】
２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０内に、共通導波層１１０でのテーパ１１２と組み合わされた前記第１の指定導波路のテーパ１２２が用いられて断熱的に前記共通導波路１１０と前記第１の指定導波路１２０との間のどちらかの向きで前記波長λ１１０１での光信号を移送させ、同様に前記第２の指定導波路のテーパ１３２は、前記第２の指定導波路隆起の下の前記第１の指定導波路１２０の隆起のレベルでの更なるテーパ１２８と組み合わされて、前記共通導波路１１０と前記第２の指定導波路１３０との間のどちらかの向きに、前記波長λ２の光信号を断熱的に移送するように使用される。本発明のこの実施の形態に係る前記導波路の層構造および構造の設計は一体的に集積化された２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０を提供し、そこでは前記共通導波路を共通の方向または双方向に伝播する異なる波長範囲にある２つの光信号は、鉛直方向に２つの異なる波長指定導波路に対して（逆）多重化することができる。
【００３６】
加えて、図１のこの具体的な実施の形態に示すように、アース接点１１６，１１８とともに接点１２５，１２７は、前記第１の指定導波路１２０の前記２つの異なる導波路部分１２４，１２６に、能動的機能、例えば、レーザ・ダイオードおよび後の刻面のモニターフォトダイオードを、狭くて深い溝１４０によって電気的に相互に絶縁されたものを設けるために指定されている。前記第２の指定導波路１３０は、単一のアース接点１２９および単一の駆動接点１３１とともに、例えば光検出器内のものであるように示されている。
【００３７】
今や、図２ａは、図１に示したような２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０の第１の可能な配置の前記光信号の流れが示されている。図２ａについて、２つの波長の受信機の実施の形態が示され、該実施の形態では、より短い波長の信号２１１、例えば、λ１＝1310nm、がより低い第１の指定導波路１２０と結合して吸収される。第２のより長い波長の光信号２１２、例えば、λ２＝1555nmは、１の共通導波路１１０と接触した前記共通の光ポートを通して前記装置に入力し、それによって意味のある影響を受けることなく前記第１の指定導波路を通過し、それから上側の第２の指定導波路１３０と結合してその中に吸収される。
【００３８】
図２ｂは、図１に示したように２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０の第２の可能な配置の光信号の流れを示す。図２ｂに関して、２つの波長の送信機の実施の形態が示され、該実施の形態では、より短い波長信号２２１、例えば、λ１＝1310nm，がより低い第１の指定導波路１２０内で生成され、かつ前記共通導波路１１０に結合される。第２のより長い波長の光信号２２２、例えばλ２＝1555nm、が前記上側の指定導波路１３０内で生成されかつ、同様にして前記共通導波路１１０と結合し、該共通導波路１１０を通って前記第１の指定導波路によって意味のある影響を受けることなく前記共通の光学ポートに到達する。
【００３９】
図２ｃは、前記光通信ネットワーク装置（ＯＮＵ）の双方向のトランシーバとして配置された前記２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０の第３の可能な配置における前記光信号の流れを示す。ここで、前記第１のより短い波長の光信号２３１、例えば、λ１＝1310nm、が、より低い前記第１の指定導波路１２０内で生成されかつ前記２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０からの送信のために前記共通導波路１１０と結合する。前記第２のより長い波長の光信号２３２、例えば、λ２＝1555nmは、前記共通の光学的ポートを介して前記2つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０の前記鉛直波長（デ）マルチプレクサ共通導波路１１０と結合し、該２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサにおいて、前記光信号は前記第１の指定導波路によって意味のある影響を受けることなく伝播して上側の第２の指定導波路１３０と結合してそこに吸収される。
【００４０】
図２ｄは、光通信ラインの端末（ＯＬＴ）の双方向のトランシーバとして配置された前記２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０の第４の可能な配置における前記光信号の流れを示す。ここで、前記第１のより短い波長の光信号２４１、例えば、λ１＝1310nmが、前記２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０の前記共通導波路１１０と結合し、かつそれからより低い第１の指定導波路１２０と結合して吸収される。前記第２のより長い波長の光信号２４２、例えば、λ２＝1555nmは前記上側の第２の指定導波路１３０内で生成されかつ前記共通導波路１１０に結合し、そこでは前記第1の指定導波路によって意味のある影響を受けることなく前記光ポートに伝播して、前記２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０から送信される。
【００４１】
さらに、図２ｅで示すように具体的な層構造に関する詳細が与えられ、前記２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０が図２ｃの前記光通信ネットワーク装置の双方向トランシーバの配置に関係するので、図２ｅは図1に概略示された前記発明の第１の実施の形態に係る構造の理解を容易化する。前記２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０の配置は、出力光信号を生成するための1310nmのレーザと、入力光信号を受けるための1555nmの光検出器を提供する。前記装置構造は、半絶縁性のInP基体２５０上に生成され、かつ、次のものを有する：
層 ２５１    厚さ1μmの非意図的に不純物が添加されたInPバッファ層
層 ２５２    前記共通導波路１１０についての 厚さ0.6μmの非意図的に不純物が添加されたGaInAsP(λＧ＝1000nm)導波層
層 ２５３    厚さ0.4μmの、大量のN-doped InPの光学的分離／電気的N型接触層
層 ２５４    前記第１の指定導波路１２０についての、厚さ0.2μmの、N-doped GaInAsP(λＧ＝1000nm)の分離した局限のヘテロ構造導波層
層 ２５５    前記第１の指定導波路１２０についての、厚さ0.11μmの、非意図的に不純物が添加されたGaInAsP/GaInAsP ひずみが補償された多重量子的井戸（λＧ＝1310nm）の導波層
層 ２５６    前記第１の指定導波路１２０についての、厚さ0.1μmの、P-doped GaInAsP(λＧ＝1000nm)の分離した局限のヘテロ構造導波層
層 ２５７    厚さ0.4μmの、大量のP-doped InPの光学的分離／電気的Ｐ型接触層
層 ２５８    第２の指定導波路１３０についての、厚さ0.085μmの、非意図的に不純物が添加されたGaInAs(λＧ＝1654nm)の導波路
層 ２５９    厚さ1.5μmの、大量のN-doped InPの光学的クラッド／電気的N型接触層
【００４２】
図１に関して、前記第２の指定導波路１３０の深いエッチング隆起１３４およびそのテーパ１３２の両方は、前記頂上平面から、層２５８，２５９を通って、前記層２５７の頂上まで下がるエッチングによって形成されている。前記第１の指定導波路１２０の前記深いエッチング隆起１２４，１２６は、対応するテーパ１２２とともに、全て前記層２５７の前記頂上から、層２５４から層２５７を通って、前記層２５３の頂上まで下るエッチングによって形成されている。最後に、前記共通導波路１１０の前記浅いエッチング隆起１１２は、前記層２５３の頂上から、この層を通って前記層２５２の頂上まで下るエッチングによって形成されている。
【００４３】
上方に前記具体的な層構造をもった２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０に対して、前記共通導波路、前記第１および第２の指定導波路１１０，１２０，および１３０の直線部分の幅は、各々、4.0μm、2.2μm、および4.5μmである。前記指定導波路１２０，１３０の各々における横方向のテーパの前記幅は、前記直線部分での幅から前記テーパ１２２，１３２の先端では約0.5μmにまで徐々に変化する。
【００４４】
第１の指定導波路１２０内で、鉛直に集積化されたレーザの前記レーザ空洞は、例えば、前記レーザのＰ接点１２５の両側で層２５７でエッチングされた分散型ブラッグ反射機を設けることによって形成されることができる。前記レーザ出力を制御するための後端電力モニターを持つことは利益がある。前記モニターは、図１に概略示された前記集積装置の場合には、前記モニターと前記レーザとが前記同一の第１の指定導波路１２０を共用しているので、前記モニターの前記レーザへの光学的突合わせ結合によって簡単に配置される。電気的に前記レーザ１２４とモニター部１２６を絶縁することは、Ｎ接触層２５３にまで降りる狭く深い溝１４０によって達成され、前記伝播方向に垂直な前記平面に関して約7‐8度の角度で傾斜している。
【００４５】
いわゆる当業者は、前記物質系、層構造および前記集積された構成要素のレイアウトは前記光通信集積回路の応用および動作目的によって決定され、かつこの具体的な実施の形態に限られないことを理解する。例えば、前記1555nmの範囲にあるより長い動作用波長の代わりに、同一の原理が、1490nmの範囲にあるより長い前記動作用波長を持った装置を設計するために用いることができる。または、前記装置の層構造におけるGaInAsPの第４物質のみを用いる代わりに、GaAlInAsの第４物質が前記層構造に追加されることが可能であり、特に、1310nmの波長範囲における前記レーザ作業の量子井戸活動領域を形成する。
【００４６】
さて、図３ａには、２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０が、再び３つの断面３０１−３０３の位置で各断面が前記伝播の方向に垂直となるように示されている。第１の断面３０１は、２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０の部分内に位置し、光信号λ１１０１およびλ２１０２の両方が、前記共通導波路１１０内に閉じ込められている。第２の断面３０２は前記２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０の部分内に位置し、前記第１の光信号λ１１０１が鉛直方向に、第１の指定導波路１２０内に閉じ込められる一方、前記第２の光信号λ２１０２は、まだ、前記共通導波路１１０内に閉じ込められている。最後に、第３の断面３０３は前記２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０の部分内に位置し、前記第２の光信号λ２１０２は今度は前記第２の指定導波路１３０内に閉じ込められる。各断面でのλ１１０１およびλ２１０２の光学モードの分布が図３ｂから図３ｅについて下記のように提示されている。
【００４７】
図３ｂに示したのは、具体的な２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０の前記導波路の断面３０１であって、前記第１の波長λ１＝1310nm１０１および第２の波長λ２＝1555nm１０２の光信号に対応する２次元モードの分布が重複している。前記共通導波路１１０は、２つの間の前記モードの形状にはあまり相違がない２つの動作用波長の内1の導波モードの分布３１０のみを支持していることを見ることができる。
【００４８】
しかしながら、前記第２の断面３０２の状況は非常に異なり、図３ｃによると、前記波長λ１＝1310nm１０１で支持された二次元モードのみが、モードの分布３２０によって示されているように、この導波路の前記導波層の周囲に鉛直方向に閉じ込められた前記モードであり、したがって、前記第１の指定導波路の深いエッチング隆起と結合されている。それと違って、図２ｄは前記波長λ２＝1555nm１０２での前記二次元モードを示し、該二次元モードは、前記共通導波路１１０の導波層内に鉛直方向にまだ閉じ込められ、かつ、そのエバネセント場を通してのみ前記第1の指定導波路１２０の隆起と相互作用する。
【００４９】
したがって、前記第1の指定導波路１１０の前記導波層についての導波モードの閉じ込め因子が、前記第１の波長λ１＝1310nm１０１に対しては高いけれども、それは同時に、前記第２の波長λ２＝1555nm１０２に対しては大変低い、例えば1％未満のレベルに維持されることができる。これは、前記波長λ２＝1555nm１０２が前記共通導波路１１０内で前記２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０に沿ってさらに伝播して、前記第１の指定導波路１１０との意味のある相互作用なしに、前記第２の指定導波路１２０に到達することを可能とする。
【００５０】
図３ｅによると、前記第３の断面３０３が示され、そこでは、前記第２の指定導波路１３０は、前記波長λ２＝1555nm１０２での前記光学モードを支持するのに十分に高くかつ広い、深いエッチング隆起を有し、該光学モードは、該モードの分布３３０から明らかなようにその導波層中に強く鉛直方向に閉じ込められている。
【００５１】
さて、図４によれば、共通導波路から指定導波路への光信号の移動が前記第１の指定導波路のテーパの幅についての、２つの波長、λ１＝1310nm１０１およびλ２＝1555nm１０２の各々における前記伝播モードの有効屈折率の計算された依存性を示すプロット４００を提供することによって示されている。これらのシミュレーションで用いられた集積された構成要素の層構造および形状は、各々図２ｅおよび図２ａで詳述した２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサのものである。
【００５２】
プロット４００から明瞭に見られるように、図４に提示された２つの曲線の各々は、より低いおよびより高い有効屈折率を持つ２つの異なる状態の間の遷移であって、前記導波路の深いエッチング隆起の前記幅の変化によって引き起こされたものを示している。前者のものは主として前記共通導波路内に閉じ込められた光学モードに相当し、後者のものは前記第１の指定導波路の前記導波層に主として閉じ込められた前記光学モードに相当する。どちらの状態にも、前記モードの前記有効屈折率での前記隆起の幅の効果はそれほど顕著ではない。なぜならば、前記光学場は強く鉛直方向に前記導波層より下（より低い状態）または前記隆起内（より高い状態）に閉じ込められているからである。しかしながら、前記遷移の範囲内では、前記隆起の幅の変化によって引き起こされる有効屈折率の変化は大変顕著である。これは、前記伝播モードの光学場が１の鉛直方向に閉じ込められたモード（前記共通導波路に）から他のモード（前記第１の指定導波路）に遷移した範囲だからである。
【００５３】
図４に提示された前記プロット４００に注意を向けるべき重要なものは、前記第１の波長λ１＝1310nm１０１における伝播モードに関する、前記第２の波長λ２＝1555nm１０２の前記伝播モードに対する遷移領域の変位である。前記図４から、より高い有効屈折率状態、それは前記第１の指定導波路の前記導波層内に主として閉じ込められた前記伝播モードに相当するが、は前記隆起幅が4.0μm−4.5μmを越えるまでは前記第２の波長λ２＝1555nm１０２に対して達成されない。それは、第２の波長曲線４０２から明らかである。それに反して、前記第１の波長λ１＝1310nm１０１に対して、前記同一の隆起幅がちょうど2.0μm−2.5μmを越えるならば、それが達成される。そのことは前記第１の波長曲線４０１から明らかである。
【００５４】
2.2μmの前記第1の指定導波路１２０の前記直線部分の前記幅を持つ具体的な実施の形態に対して、ここにシミュレートされているが、前記第２の波長λ２＝1555nm１０２における前記伝播モードの有効屈折率はより上の状態の値より約0.06低く、このことは前記第１の指定導波路１２０の前記導波層に鉛直方向に閉じ込められたこの波長での前記光学場を有するために到達する必要がある。これは、避けがたい製造交差を考慮しても、前記波長λ１＝1310nm１０１およびλ２＝1555nm１０２の信頼性のある鉛直方向の（逆）多重化を可能にするために考慮する前記伝播モードの前記有効屈折率における極めて本質的な差である。シミュレーションは、前記具体的な２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０内の前記共通導波路１１０から第２の指定導波路１３０へ移動した前記第２の波長λ２＝1555nm１０２での光信号の全体的な挿入損失は1dB未満に削減することができる。
【００５５】
図３および図４に例示された前記２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサでの前記伝播モードについての前記具体的な２次元的分布および有効屈折率の基礎をなす数値シミュレーションは、参照文献：V.I.Tolstikhin, 「能動的光通信装置モデリングのための半導体へテロ構造の光学的性質」J.Vac. Sience&Technology A, Vol.A18,pp. 605-609, 2000,に記述された市販の光線伝播法シミュレータおよび多重層へテロ構造の光学的性質のミクロ的計算の使用に基づくものである。
【００５６】
前記光検出器の低い挿入損失は、先行技術のやり方に対し、集積化した光通信ネットワーク装置のディプレクサーの形態をもつ本発明の実施の形態の強みである。先行技術のやり方では、より短い波長レーザおよびより長い波長の光検出器は、多重成長工程技術、例えば、米国特許第5,031,188、Koch等を参照のこと、を用いたラインに沿った突合せ結合によって、または、１工程のエピタキシャル成長を用いた鉛直方向のエバネセント場結合、例えば、米国特許出願US/2005/0249504,O'Donnell 等を参照のこと、を用いるかのどちらかである。各先行技術のやり方では、より長い波長の光信号が前記レーザの能動的導波路の全部を通して伝播し、前記光検出器の能動的導波路と結合する。
【００５７】
意味のある自由キャリヤーのために、前記レーザの導波路およびレーザモニターの導波路の活性がありかつ大量に不純物が添加された接触層における荷電子帯（例えば、J.Taylor and V.I.Tolstikhin, "Intervalence band absorption in InP and related materials for optoelectronic device modeling," J.Appl. Phys. Vol.87, pp. 1054-1059, 2000）吸収は、たとえ光検出器のより長い前記波長の動作範囲内での光信号がより短いバンドギャップ 波長のレーザの導波路およびレーザモニタの導波路を通過する際に直接的な荷電子帯吸収を経験していなくても、第１に、前記光検出器に対する受容し難い高い挿入損失に帰する。上で提示した前記具体的な実施の形態は、前記共通導波路内にそのまま維持されかつより短い前記波長指定導波路を通して結合しないより長い波長の光信号によって、これを除去する。
【００５８】
いわゆる当業者にとって、図１−３に関して上で開示され、図２ｅで詳述した具体的な２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ構造の数値的シミュレータの結果によって示したような鉛直方向の（逆）多重化の基本的原理は、これらの実施の形態に限定されず、それどころか、上記種類の１の共通導波路および２つの指定導波路を特徴付ける集積化光学的配置に一般的なものである。前記層構造および２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサの形状の種々の改良、例えば、特定の動作目標を達成することを目的とする、が同一の前記基本的設計および動作原理の枠内で想像可能である。
【００５９】
図５は、本発明の前記第１の実施の形態のそのような変形の概略図であって、その波長のフィルタリング特性の改良、したがって、２つの波長の光信号間のクロストークを除去することを目的としたもの、これは解決するのに極めて重要な実用的な問題であり、特に１の（送信された）信号が他の（受信された）信号より極めて大きいというトランシーバの構造内に特有のもの、を示している。
【００６０】
１の実施の形態において、前記第１の指定導波路は、２つの鉛直に積層された導波層、第１の二重コア層５３０および第２の二重コア層５４０からなり、各々は、この層内に中心を持つ鉛直方向に閉じ込められた光学モードを支持することができ、この層の少なくともより低いものは、前記第１の（最も短い）動作用波長より下のバンドギャップ波長井戸を有する受動的な導波路である。図５によれば、２つの波長の集積化鉛直波長（デ）マルチプレクサ５００の鉛直方向の積層には、この二重コアの第１の指定層がまだ、前記共通導波路５２０より上で、前記第２の指定導波路５５０の下に位置している。しかしながら、二重コア導波路は、２工程の横方向のテーパであって、前記装置に柔軟性を追加しかつ指定された波長の光信号が、断熱的に前記共通導波路５２０から前記第２の二重コア層５４０に最低の挿入損失で遷移することを見込んでいる（例えば、F. Wu, V. Tolstikhin, et al. Two-Step Lateral Taper Spot-Size Converter for Efficient Coupling to InP-Based Photonic Integrated Circuits, Proceed. SPIE, Vol. 5577,PP.213-220, 2004）。
【００６１】
前記第１の装置要素５６０を示すように、例えば、前記第１の光信号λ１1310nm１０１を２つの波長の集積化鉛直波長（デ）マルチプレクサ５００内で処理する発光器又は光検出器が前記第１の二重コア層５３０内の第１の二重コアテーパ５３１、第２の二重コアテーパ５４１および前記第２の二重コア層５４０内の第１の二重コア要素５４２から形成されている。前記第２の装置要素は、例えば、前記２つの波長の集積化鉛直波長（デ）マルチプレクサ５００内で前記第２の光信号λ２＝1555nm１０２を処理する光検出器であって、前記第１の二重コア層５３０内の第３の二重コアテーパ５３３、前記第２の二重コア層５４０内の第４の二重コアテーパ５４５、第１の指定されたテーパ５５１および前記第２の指定導波路５５０内の第１の指定された装置部分５５２から形成されている。
【００６２】
２つの波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ１５０から２つの波長の集積化鉛直波長（デ）マルチプレクサ５００の他の変形において、追加の要素５７０が前記第１の装置要素５６０と第２の装置要素５８０との間に挿入されている。前記二重コア層５３０，５４０から形成された前記第１の指定導波路の末端と、伝播方向に沿った前記第２の指定導波路５５０の先端との間に形成されている。追前記加の要素５７０を示すように、前記第１の二重コア層５３０内の第５の二重コアテーパ５３２、前記第２の二重コア層５４０内の第６の二重コアテーパ５４３を有し、また、前記第２の二重コア層５４０内にある。前記第１の指定導波路がレーザ機能または吸収機能を特徴とする能動的導波路である場合には、この追加の要素は、前記第１の指定導波路に接触しまたは接触していなくても良いが、ＰＩＣ設計者に、もし前記接触が前記第２の二重コア要素５４４に追加されるならば、前記第1の波長λ１＝1310nm１０１内の残りの光信号を吸収するが、第２の波長λ２＝1555nm１０２内の光信号は影響を与えないままにするように制御可能な方法を提供する。これは、例えば、前記２つの波長の集積化鉛直波長（デ）マルチプレクサ５００のフィルタリング特性を増進させかつ前記第１の波長λ１＝1310nm１０１の前記第２の波長λ２＝1555nm１０２へのクロストークを削減するために使用される。代わりに、前記第１の装置要素５６０は特に前記第１の波長λ１＝1310nm１０１の顕著な部分を、高速の光受信機を用いてコード化されたデジタルデータを検出するように、抜き出しかつ処理し、かつ、２つの波長の集積化鉛直波長（デ）マルチプレクサ５００の動作の態様またはそれが作動する前記装置内の光学モジュールを制御するための低速のモニタリング信号を提供するように、前記第1の波長λ１＝1310nm１０１の残りの部分を追加の要素５７０に提供する。
【００６３】
いわゆる当業者にとって上述した前記２つの変形のいずれかまたは両方は、この集積化要素の設計および動作原理を変更することなく求められたように前記鉛直波長（デ）マルチプレクサの設計に追加できることは明らかである。
【００６４】
さらに、第１の指定導波路における三重または多重のコアおよび第２の指定導波路における２以上の追加の要素に向かう一般化が、前記集積化鉛直波長（デ）マルチプレクサの同一の構造および動作原理内で可能である。同様にして、上に提示された実施の形態は、前記鉛直波長（デ）マルチプレクサが作動する多数の離散した波長または波長帯を提供するまでに広げられることができる。そのような鉛直波長（デ）マルチプレクサ装置の例として、粗波長分割多重化（ＣＷＤＭ）および密波長分割多重化（ＤＷＤＭ）を含有する。
【００６５】
多数の他の実施の形態が、本発明の主旨または範囲から逸脱することなく想像することができる。
【図１】
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【図２】
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【図２ｅ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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