(57)【要約】【課題】超小型、且つ偏波面無依存の低損失光合分波回路を提供する。【解決手段】基板１５に積層された石英よりなるアンダークラッド１６と、該アンダークラッド１６に積層され断面が矩形であるコアと、該コアに積層されたオーバークラッド１７とを含む、入力光導波路１１と出力光導波路１３、１４とＭＭＩ導波路１２とを有する光合分波回路において、前記コアは半導体とし、前記オーバークラッド１７は石英と等しい屈折率を持つ物質とする。【選択図】　　　　　　図３
2004138785.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に積層された石英よりなるアンダークラッドと、該アンダークラッドに積層され断面が矩形のコアと、該コアに積層されたオーバークラッドとを含む、入力光導波路と出力光導波路と多モード干渉導波路とを有する光合分波回路において、
前記コアは半導体からなり、
前記オーバークラッドは石英と等しい屈折率を持つ物質からなる
ことを特徴とする光合分波回路。
【請求項２】
前記入力光導波路のコアの入力部及び前記出力光導波路のコアの出力部を除く全ての面が、前記オーバークラッドの物質により囲まれている
ことを特徴とする請求項１記載の光合分波回路。
【請求項３】
前記コアはシリコンからなる
ことを特徴とする請求項１または２何れか１項記載の光合分波回路。
【請求項４】
前記コアの厚みが０．３μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の光合分波回路。
【請求項５】
前記入力光導波路と出力光導波路のコアの厚みは、前記多モード干渉導波路のコアの厚みと等しい
ことを特徴とする請求項１乃至４何れか１項記載の光合分波回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路を伝わる光波を低損失で合波、または、分波する超小型の光合分波回路の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
平面光導波路において、光スイッチまたは複数の導波路からの光波を、１本または複数の導波路や光ファイバに結合させるために、光合分波回路が利用されてきた。この光合分波回路として、方向性結合器、または、Ｙ型合分波器、強結合型方向性結合器等がこれまで利用されてきた。これらの光合分波回路は、動作原理として、光導波路の基本モード（対称モード）と一次モード（反対称モード）との干渉効果を用いている。そのために、デバイス特性が、デバイス構造・材質・寸法に大きく依存するが、制作上、所望の構造等を実現することが困難であるため、導波光の過剰損失が大きい等の問題があった。
【０００３】
これに対して、光合分波回路としてさらに、高次モードが伝搬可能な多モード導波路を用い、導波路内の各モード間の干渉を利用して光波の合分波機能を持たせた多モード干渉導波路（以下、ＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ−　Ｍｏｄｅ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）と記す。）がある。このＭＭＩ光合分波回路は、光の損失が少ない、及び制作が容易という特性を有することから、最近広く用いられるようになった。
【０００４】
半導体を用いた従来の２×２ＭＭＩ光合分波回路の基本構成を図１の斜視図及び図２の上面図に示す。これらの図面中、１はシリコン基板、２はコア、３は入力光導波路、４は出力光導波路、５はＭＭＩ導波路、６はアンダークラッド、７はオーバークラッドを示している。本構成の場合、導波路はハイメサ構造をとっているが、この他に、導波路側面を保護するために、誘電体膜で全体を覆うような構成にするか、またはエピタキシャル成長法によって、導波路側面をシリコン基板またはクラッド層により埋め込むように構成することができる。ここで、入力光導波路３、出力光導波路４は、ＭＭＩ導波路５にハイブリッド集積、または少なくともシリコン基板１を共用してモノシリック集積して接続する光スイッチ等の機能デバイス導波路の導波光と同じ大きさのスポットサイズ（半径）を与える構造をとる。例えば、波長１．５５μｍ帯の半導体ＭＭＩの場合、通常、シリコン基板１とクラッド６、７にはＩｎＰが、コア２にはＩｎＧａＡｓＰ、またはモノシリック集積される半導体機能デバイス導波路の導波路材料・構造が用いられる。
【０００５】
上記半導体デバイス導波路の導波光のスポットサイズは、通常、０．１μｍ〜２μｍ程度であるため、入力光導波路幅ｗｉ、出力光導波路幅ｗｏはそれぞれ、０．５μｍ〜３μｍ、ＭＭＩ導波路幅（ｗｇ）は５〜２０μｍ、コア厚（ｔｇ）は０．１〜１μｍ程度となる。ＭＭＩの損失・クロストークを低減し、また、ＭＭＩ導波路５の導波路長Ｌを短くするために、図１及び図２に示す２×２構成の場合、入力光導波路３、出力光導波路４の各位置は、ｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｗｇ／３の関係で設定される。
【０００６】
このようなＭＭＩを用いた合分波回路は、方向性結合器を用いた合分波回路と比較して、デバイス制作時において、導波路の寸法や屈折率の偏差による特性のばらつきが小さく、特にクロストークの劣化が小さいことが明らかになり、近年多くの半導体デバイスに使用されるようになった（例えば、特許文献１）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−１６０９５１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体系材料の光導波路は、上下方向の閉じ込め構造と左右方向の閉じ込め構造が非対称であるハイメサ構造であるため、偏波面依存性が強くなるという問題があった。
【０００９】
また、従来の構成では、特に上下方向の閉じ込めでは、コアとクラッドとの屈折率差が１０％程度以下であるため、導波光スポットサイズが波長程度の大きさになる。したがって、ＭＭＩの低損失性、低クロストーク性の制約から、ＭＭＩ導波路幅ｗｇを大きくする必要性が生じる。しかし、最適なＭＭＩデバイス長Ｌは、原理的にコア幅ｗｇに対して、Ｌ≒Ｃ・ｗｇ２（Ｃ：定数）の関係が成り立つので、コア幅ｗｇを大きくするにしたがってＬが長くなり、ＭＭＩ光合分波回路の大幅な小型化が難しくなるという問題があった。
【００１０】
同様に、入出力光導波路の分岐数がＭ×Ｎの従来の光合分波回路では、デバイス制作時の導波路加工またはクロストーク等の制約から、入力光導波路幅ｗｉ、出力光導波路幅ｗｏ、導波路間隔ｄを無制限に小さくできない。したがって、分岐数Ｍ、Ｎが多くなるほど、ＭＭＩ導波路幅ｗｇを大きくする必要が生じ、これに伴ってデバイス長Ｌも長くなるという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、超小型、且つ偏波面無依存の低損失光合分波回路を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１では、基板に積層された石英よりなるアンダークラッドと、該アンダークラッドに積層され断面が矩形のコアと、該コアに積層されたオーバークラッドとを含む、入力光導波路と出力光導波路と多モード干渉導波路とを有する光合分波回路において、前記コアは半導体からなり、前記オーバークラッドは石英と等しい屈折率を持つ物質からなることを特徴とする光合分波回路をもって解決手段とする。
【００１３】
請求項２では、前記入力光導波路のコアの入力部及び前記出力光導波路のコアの出力部を除く全ての面が、前記オーバークラッドの物質により囲まれていることを特徴とする請求項１記載の光合分波回路をもって解決手段とする。
【００１４】
請求項３では、前記コアはシリコンからなることを特徴とする請求項１または２何れか１項記載の光合分波回路をもって解決手段とする。
【００１５】
請求項４では、前記コアの厚みが０．３μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の光合分波回路をもって解決手段とする。
【００１６】
請求項５では、前記入力光導波路と出力光導波路のコアの厚みは、前記多モード干渉導波路のコアの厚みと等しいことを特徴とする請求項１乃至４何れか１項記載の光合分波回路をもって解決手段とする。
【００１７】
上記構成により、超小型、且つ偏波面無依存の低損失光合分波回路を実現することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１９】
図３乃至図７は、本発明の一実施形態である導波光が１．５５μｍ帯の１×２ＭＭＩ光合分波回路を示している。図３は上面図、図４は側面図、図５乃至図７は導波路各部の断面図である。図中の矢印は、入出力光の進む方向を示している。このＭＭＩ光合分波回路は二分岐回路として動作するが、矢印の逆方向へ光を入出力させることにより、光合波回路として動作させることもできる。
【００２０】
図３及び図４において、１１は矩形断面のシリコンをコアとする完全埋め込み型の入力光導波路、１２はスラブ状のシリコンによりなる矩形断面のコアを持つＭＭＩ導波路、１３及び１４は矩形断面のシリコンをコアとする完全埋め込み型の出力光導波路、１５はシリコン基板、１６は石英よりなるアンダークラッド、１７はポリマーよりなるオーバークラッドである。ポリマー素材としては、石英と等しい屈折率であればよく、エポキシ樹脂やポリイミド、シリコーン等が使用される。屈折率は完全に同じでなくとも、もともとＳｉと石英の屈折率差が大きいので、数％程度の違いは誤差の範囲として許容される。ｗｉ１は入力光導波路幅、ｗｉ２は出力光導波路幅、ｗｇ１はＭＭＩ導波路幅を表している。また、ｄ２１は出力光導波路間の長さ、ｔ１はコアの厚みを表している。入力光導波路１１のコアの入力部及び出力光導波路１３、１４のコアの出力部を除く全ての面はポリマーよりなるオーバークラッド１７に埋め込まれた状態である。
【００２１】
図５は、入力光導波路１１の断面図であって、石英よりなるアンダークラッド１６上に積層されたシリコンよりなるコア５０が、石英と同じ屈折率を有するポリマーよりなるオーバークラッド１７に埋め込まれた構造となっている。ｗｉ１はコア５０の幅、ｔ１はその厚みである。
【００２２】
図６は、ＭＭＩ導波路１２の断面図であって、石英よりなるアンダークラッド１６上に積層されたシリコンよりなるコア６０が、石英と同じ屈折率を有するポリマーよりなるオーバークラッド１７に埋め込まれた構造となっている。ｗｇ１はコア６０の幅、ｔ２はその厚みである。
【００２３】
図７は、出力光導波路１３と１４の断面図であって、石英よりなるアンダークラッド１６上に積層されたシリコンよりなるコア７０が、石英と同じ屈折率を有するポリマーよりなるオーバークラッド１７に埋め込まれた構造となっている。ｗｉ２はコア７０の幅、ｔ３はその厚みである。
【００２４】
モードソルバーによるシミュレーションによると、アンダークラッドを石英、オーバークラッドを石英と同屈折率のポリマーとし、矩形断面のシリコンをコアとする完全埋め込み型光導波路におけるシングルモード条件は、コアの一辺が０．３μｍ以下であることが必要である。ここでは、ｔ１＝ｔ２＝ｔ３＝０．３μｍとし、また、偏波依存性を少なくするために、幅長と同じくｗｉ１＝ｗｉ２＝０．３μｍとする。
【００２５】
ＭＭＩ導波路では、ｗｇ１＝１．６μｍ、Ｌ１＝２．４μｍ、出力光導波路１３及び１４が接続される出力ポート間の間隔ｄ２１は０．９μｍと極めて小さな形状である。
【００２６】
これは、シリコンの屈折率が約３．４７、石英の屈折率が１．４６程度であるため、比屈折率差は約４１％程度となり、導波路断面を小さくしても光を閉じ込めることができるためであり、また、入力光導波路１１、出力光導波路１３及び１４のＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｐａｒｔｕｒｅ）が大きいため、ＭＭＩ導波路１２の中で干渉現象が光軸方向に対してごく短い距離の中で発生するためである。
【００２７】
図８に本実施形態に係る二分岐光合分波回路のＴＥ偏波面とＴＭ偏波面のそれぞれに関する過剰損失について、設計波長である１．５５μｍ帯周辺の波長特性をモードソルバーの３次元フルベクトルシミレーションにとり示したものである。
【００２８】
図からわかるように、ＴＥ偏波、ＴＭ偏波ともに、光通信に用いられる１．５５μｍ帯の全域に渡って、過剰損失は０．５ｄＢ以下であり、１．４μｍから１．７μｍにわたる幅広い領域で１ｄＢ以下の過剰損失を保っている。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、超小型、且つ偏波無依存の低損失光合分波回路を実現することができる。
【００３０】
さらに、ＬＳＩの母材として供給されるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用することが可能となるとともに、他の材料と比べて微細加工技術の進展しているシリコン加工技術を利用することができるため、微小光学回路を容易に実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体を用いた従来の２×２ＭＭＩ光合分波回路の基本構成を示す斜視図
【図２】半導体を用いた従来の２×２ＭＭＩ光合分波回路の基本構成を示す側面図
【図３】本発明の一実施形態に係る１×２ＭＭＩ光合分波回路の上面図
【図４】本発明の一実施形態に係る１×２ＭＭＩ光合分波回路の側面図
【図５】本発明の一実施形態に係る１×２ＭＭＩ光合分波回路の入力光導波路の断面図
【図６】本発明の一実施形態に係る１×２ＭＭＩ光合分波回路のＭＭＩ導波路の断面図
【図７】本発明の一実施形態に係る１×２ＭＭＩ光合分波回路の出力導導波路の断面図
【図８】本発明の一実施形態に係る二分岐光合分波回路において、導波光の波長に対する、ＴＥ偏波面とＴＭ偏波面での過剰損失について示した図
【符号の説明】１、１５…シリコン基板、２、５０、６０、７０…コア、３、１１…入力光導波路、４、１３、１４…出力光導波路、５、１２…ＭＭＩ導波路、６、１６…アンダークラッド、７、１７…オーバークラッド。
【図１】
2004138785.tif 000003
【図２】
2004138785.tif 000004
【図３】
2004138785.tif 000005
【図４】
2004138785.tif 000006
【図５】
2004138785.tif 000007
【図６】
2004138785.tif 000008
【図７】
2004138785.tif 000009
【図８】
2004138785.tif 000010