(57)【要約】  本発明は集積化光通信装置であって、第III族―第Ｖ族半導体で組み立てられかつ１のエピタキシャル成長の連続稼動で成長した多導波鉛直集積化構造で実行可能なものを記述し、該装置は、前記共通受動的導波路を共通または双方向に伝播する光信号の複数の鉛直方向に集積化された受動的または能動的波長指定導波路への鉛直かつ横方向の分岐を可能にし、したがって、前記波長指定導波路が異なる波長で作動して一体的に前記同一の基体に集積化されかつ共用された受動的導波路に接続される。本発明の典型的な実施の形態において、２つの能動的波長指定導波路、その各々はレーザまたは光検出器、が鉛直方向に集積化されて両方の作動波長によって共用される入力／出力光ポートと前記共通受動的導波路が接続されて、単一のファイバ、２波長受光器（両方の波長指定導波路は導波光検出器）または送信器（両方の波長指定導波路は端部放射半導体注入レーザ）またはトランシーバ（１の波長指定導波路は導波光検出器及び他の端部放射半導体注入レーザ）を形成する。先行技術に対して都合が良いことには、前記提案された鉛直方向の分岐及び横方向の経路の設定は削減した設置面積を可能にする一方、大いに設計の柔軟性および／または装置の動作を改善する。
2010510548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エピタキシャル半導体成長を支持する半導体基体と、
前記半導体基体上で１成長工程で成長したエピタキシャル半導体構造と、
前記エピタキシャル半導体構造の底であって、予め定めた第１の波長範囲内での光信号の伝播を支える共通指定導波路と、
複数の波長指定導波路の内の少なくとも１とを有するとともに、前記複数の波長指定導波路の各々は、前記共通指定導波路上であり、前記複数の波長指定導波路は、増大する波長のバンドギャップの順に設けられ、各々は予め定めた第２の波長範囲を支え、前記予め定めた第２の波長範囲の各々は、前記予め定めた第１の波長範囲内にあるとともに、前記複数の波長指定導波路の内の１の少なくとも一部は鉛直−横方向スプリッタを含有し、該鉛直−横方向スプリッタは、前記共通指定導波路から前記複数の波長指定導波路の内の前記１に前記複数の波長指定導波路の内の前記１の前記予め定めた第２の波長範囲内で光信号を結合するための鉛直要素と、前記鉛直方向に結合した光信号を横方向に経路を定めるための横要素とを有し、前記共通指定導波路および前記複数の波長指定導波路の内の前記１の前記鉛直要素は、共通伝播方向に沿って光学的に配列されかつ形成された、第III族−第Ｖ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】
前記鉛直−横方向スプリッタは波長マルチプレクサ、光学的パワースプリッタ、および前記予め定めた第２の波長範囲内での光信号に対する波長デマルチプレクサの内の少なくとも１を形成する請求項１に記載の集積化光通信装置。
【請求項３】
前記共通指定導波路の前記バンドギャップは、少なくとも第１の予め定めた波長の分岐によって前記複数の波長指定導波路の任意の予め定めた第２の波長範囲より下にある請求項１または請求項２に記載の集積化光通信装置。
【請求項４】
前記複数の波長指定導波路の内の１の前記バンドギャップ波長は、前記複数の波長指定導波路の前記先行する波長指定導波路の前記予め定めた第２の波長範囲の上であり、前記先行する波長指定導波路は第２の予め定めた波長の分岐によって選択された前記波長指定導波路より下でかつそれに最近接の鉛直方向に設けられた前記複数の波長指定導波路の１である請求項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】
前記複数の波長指定導波路の内の１の前記バンドギャップ波長は、前記複数の波長指定導波路の取って代わろうとしている前記波長指定導波路の予め定めた第２の波長範囲の下であり、取って代わろうとしている前記波長指定導波路は第３の予め定めた波長分岐によって選択された前記波長指定導波路より上でかつ最近接の鉛直方向に設けられた前記複数の波長指定導波路の内の１である請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の集積化光通信装置。
【請求項６】
前記共通指定導波路と結合しかつその内部を伝播する光信号のために、前記光信号は、前記予め定めた第１の波長範囲内に作動波長を有する前記光信号は、前記複数の波長指定導波路の任意の他の波長指定導波路との相互作用なしに、前記複数の波長指定導波路の内の前記１の前記鉛直−横方向スプリッタの前記鉛直要素に断熱的に移送され、前記複数の波長指定導波路の内の前記１は前記光信号の前記作動波長によって選択されるように断熱的に移送され、前記光信号の前記作動波長は、従って断熱的に移送された前記複数の波長指定導波路の内の前記１の前記予め定めた第２の波長範囲内である請求項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】
前記複数の波長指定導波路の１内で生成された放射光信号は断熱的に前記鉛直−横方向スプリッタの前記鉛直要素から前記指定導波路に前記複数の波長指定導波路の任意の他の波長指定導波路との相互作用なしに移送され、前記放射光信号は、前記複数の波長指定導波路の内の前記１の前記予め定めた第２の波長内でかつ前記予め定めた第１の波長範囲内にあり、かつ前記第１の鉛直−横方向スプリッタの前記第２の要素、前記第１の鉛直−横方向スプリッタの前記第３の要素、および前記第１の鉛直−横方向スプリッタの前記第３の要素と光学的に結合した光回路の少なくとも１内で生成された請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の集積化光通信装置。
【請求項８】
前記複数の波長指定導波路の各々は光放射器、可変減衰器、送信導波路、可変光増幅器及び光検出器の内の少なくとも１として形成されている請求項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】
前記複数の波長指定導波路の内にある前記波長指定導波路の内の少なくとも１は、前記波長指定導波路に及ぼされるバイアスポテンシャルに応じて、光放射器及び光検出器として形成されることができる請求項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】
前記複数の波長指定導波路の各々は光放射器及び光検出器の内の少なくとも１として形成された請求項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】
前記鉛直−横方向スプリッタの前記鉛直要素は少なくとも１のテーパを有する請求項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】
前記鉛直−横方向のスプリッタの前記横要素は、直線状導波路、転向ミラー、反射ミラー、テーパ、および湾曲導波路の内の少なくとも１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】
前記鉛直−横方向スプリッタの前記横要素は、さらに予め定めた距離によって前記横要素の１の縁の少なくとも一部に沿って位置する少なくとも１の溝と、予め定めた距離によって前記横要素の１の縁の少なくとも一部に沿って位置する少なくとも１の溝列と、前記横要素の少なくとも一部に刻まれた鉛直の彫面と、前記横要素の１の縁の少なくとも一部に沿って位置する反共鳴反射光導波構造とを有する請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の集積化光通信装置。
【請求項１４】
半導体基体上で１成長工程で成長するエピタキシャル構造を提供し、
前記エピタキシャル構造の前記底に設けられ、かつ予め定めた第１の波長範囲内で光信号の伝播を支持する共通導波路を提供し、
複数の波長指定導波路の内の少なくとも１の波長指定導波路を提供し、前記複数の波長指定導波路の各々は前記共通導波路の上で成長し、前記複数の波長指定導波路は増大する波長バンドギャップの順に鉛直方向に配列され、かつ各々は予め定めた第２の波長範囲を支持し、前記予め定めた第２の波長範囲の各々は前記予め定めた第１の波長範囲内にあり、
前記複数の波長指定導波路の内の１の少なくとも一部内に鉛直−横方向スプリッタを提供し、該鉛直−横方向スプリッタは前記共通の指定導波路から前記複数の波長指定導波路の前記１までの前記複数の波長指定導波路の内の前記１の前記予め定めた第２の波長範囲内に光信号を結合するための鉛直要素と、前記鉛直に結合した光信号を横方向に経路を定めるための横要素とを有し、前記複数の前記波長指定導波路の内の前記１の前記鉛直要素は光学的に前記共通指定導波路による共通伝播方向に沿って配列されかつ形成された光学素子を提供するための方法。
【請求項１５】
前記鉛直−横方向スプリッタを提供する工程は、波長マルチプレクサ、光パワースプリッタ、および前記予め定めた第２の波長範囲内にある前記光信号のための波長デマルチプレクサの内の少なくとも１を提供する工程を有する請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記共通指定導波路の前記バンドギャップ波長は、少なくとも第１の予め定めた波長の分岐によって、前記複数の波長指定導波路の任意の予め定めた第２の波長範囲の下である請求項１４または請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数の波長指定導波路の内の１の前記バンドギャップ波長は前記複数の波長指定導波路の前記先行する波長指定導波路の前記予め定めた第２の波長範囲の上であり、前記先行する波長指定導波路は、第２の予め定めた波長分岐により、選択された波長指定導波路より下かつ最近接の鉛直方向に配列された前記複数の波長指定導波路の内の１である請求項１４乃至請求項１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記複数の波長指定導波路の内の１の前記バンドギャップ波長は、前記複数の波長指定導波路の取って代わられる前記波長指定導波路の予め定めた第２の波長範囲より下であり、取って代わられる前記波長指定導波路は、第３の予め定めた波長分岐により前記選択された波長指定導波路より上かつ最近接の鉛直方向に配列された前記複数の波長指定導波路の内の１である請求項１４乃至請求項１８のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
前記共通指定導波路内に光信号を結合しかつ伝播する工程を有し、前記光信号は、前記予め定めた第１の波長範囲内に作動波長を有しかつ断熱的に、前記複数の波長指定導波路の任意の他の波長指定導波路と相互作用することなく、前記複数の波長指定導波路の前記１の前記鉛直方向スプリッタの前記鉛直要素によって移送され、前記複数の波長指定導波路の内の前記１は、前記光信号の前記作動波長によって選択されて断熱的に移送され、前記光信号の前記作動波長は、従って断熱的に移送される前記複数の波長指定導波路の内の前記１の前記予め定められた第２の波長範囲内である請求項１４乃至請求項１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記複数の波長指定導波路の内の１内に、前記複数の波長指定導波路の任意の他の波長指定導波路との相互作用なしに、前記鉛直−横方向スプリッタの前記鉛直要素から前記共通指定導波路まで断熱的に移送される放射光信号を生成する工程を有し、前記放射光信号は、前記複数の波長指定導波路の内の前記１の前記予め定めた第２の波長範囲内であってかつ前記予め定めた第１の波長範囲内であり、かつ、前記第１の鉛直−横方向スプリッタの前記第２の要素、前記第１の鉛直−横方向スプリッタの前記第３の要素、および前記第１の鉛直−横スプリッタの前記第３の要素と光学的に結合した光学回路の内の少なくとも１内で生成された請求項１４乃至請求項１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
前記複数の波長指定導波路の各々を提供する工程は、光放射器、可変減衰器、送信導波路、可変光増幅器および光検出器の内の少なくとも１を有する波長指定導波路を提供する工程を有する請求項１４乃至請求項２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記複数の波長指定導波路内に前記波長指定導波路の少なくとも１を提供する工程は、前記波長指定導波路に及ぼされるバイアスポテンシャルに応じて光放射器および光検出器として形成可能な波長指定導波路を提供する工程を有する請求項１４乃至請求項２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
前記鉛直−横方向スプリッタを提供する工程は、直線導波路、転向ミラー、反射ミラー、第２のテーパおよび湾曲導波路の内の少なくとも１を有する横要素および第１のテーパを少なくとも有する鉛直要素の内の少なくとも１を提供する工程を有する請求項１４乃至請求項２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
前記鉛直−横方向スプリッタの前記横要素は、さらに予め定めた距離によって前記横要素の１の縁の少なくとも一部に沿って位置する溝と、予め定めた距離によって前記横要素の１の縁の少なくとも一部に沿って位置する少なくとも１の溝列と、横要素の少なくとも一部に彫られた鉛直の彫面と、前記横要素１の縁の少なくとも一部に沿って位置した反共鳴反射光学導波路構造との内の少なくとも１を有する請求項１４乃至請求項２３のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的には集積化フォトニクスの分野に関し、より詳細には、第III族−第Ｖ族化合物の半導体物質での光通信集積回路における波長分割多重化（ＷＤＭ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、常に増大するバンド幅の要求に駆られた、光学的なアクセスおよびＬＡＮ ネットワークの急激な進展、および、競合する技術、例えば、ねじれ銅線、同軸ケーブルまたはワイヤレス伝送に基づくものの基本的な配信の無能力を目撃している。光ファイバを用いた伝送が、大都市地域への長距離から広帯域アクセスネットワークまでの通信に対する普遍的な手段として現れ、光インターネットの激増と種々のメディアの流れ（例えば、データ、音声および映像）の、末端ユーザへの光学的領域権内に配信されるインターネットプロトコール・データへの収束に帰着した。これは「ラストマイル（交換局と一般世帯とを結ぶ通信手段）」のネックに対する将来にも有効な解決手段であって、劇的にネットワークのキャパシティを増大させるだけでなく、光から電気領域（およびその逆）への遷移を費用的に削減する。
【０００３】
前記光ファイバの前記アクセスネットワークへの深い浸透は、インターネット・ユーザに対するトラヒックを駆動する光学的装置の前代未聞の大規模な配備を要求する。例えば、光学的トランシーバ、それはある波長での信号を下流側で受信し、他の波長での信号を上流側で送信し、両方の波長は同一の光ファイバを共用するものであるが、各光学ラインの端末（ＯＬＴ）／ネットワーク装置（ＯＮＵ）で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、ますます主要な要件となってきている。前記光インターネットは、前記光トランシーバおよび他の大量に配備された光学素子の大量生産が需要者の生産物の費用対効果および量的実現可能性のレベルにまで到達して初めて役に立つサービスになるだろうことは産業界で広く受け入れられている。
【０００４】
現在の光学素子生産パラダイムの枠内では、それは既成の別個の受動的および能動的光通信器から製造される大量の光学的下位組立品（ＯＳＡ）に主として基づいているが、前記問題点の根本的な原因は、労働集約型の光学的位置合わせおよび高価な多重パッケージにある。これらは費用対効果を制限するだけでなく、製造における量の拡大と量的実現可能性を提供する製造能力を著しく限定する。その解決法は前記下位組立品における前記光学的位置合わせおよび内容のパッケージ化を削減し、ついには、前記光学的組立品を光通信集積回路（ＰＩＣ）技術、そこには光学回路の全ての機能的要素が一体的に同一の基体に集積化されたものに置き換えることにある。それから、人手による能動的光学的位置合わせは、リトグラフの方法によって形成された自動的な受動的位置合わせによって置き換えられるべきであり、多重パッケージは全く除去され、現存するプレーナ技術およびウェハ製作技術に基づいて複雑な光学素子の自動化されかつ量的実現可能な大量生産を可能にする。
【０００５】
種々の用途に関し、光学的伝送システムで使用される一体的な光通信集積回路用に選択される物質は相変わらずリン化インジウム（InP）および関連する第III族―第Ｖ族半導体のままである。なぜなら、それらは、光テレコミュニケーションのための興味のあるスペクトル領域で能動的および受動的機器が作動して同一のInPの基体と組み合わされることを唯一可能とするからである。特に、InP光通信集積回路は、たぶん、最大規模に配備された素子、すなわち1.3μｍ（上流側）および1.5μｍ（下流側）の波長帯域で作動するアクセス受動的光ネットワークに対する光トランシーバ、例えば、Ｖ.Tolstikhin（「集積化フォトニクス：次世代のアクセスネットワーク用の光学素子技術を可能にする」、Proc. Asia Optical Fiber Communication & Optoelectronic Exposition & Conference, October 2007）を参照のこと、に対する費用対効果および量的実現可能性の解決法に対する最良の希望となっている。
【０００６】
前記光通信集積回路において、各半導体導波器の機能はそのバンド構造によって、より詳細にはその導波層のバンドギャップ波長によって予め定められている。したがって、機能的に多様性のある機器は、異なっているが相性の良い物質から製造されなければならない。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において深刻な影響を与えるものである。前記光通信集積回路における多機能の集積は、それらの設計の柔軟性および／または製造の複雑性によって変わるいくつかの方法によって達成することができる。多導波鉛直方向集積化（ＭＧＶＩ）技術は、種々の機能（したがって種々の物質からなる）をもつ前記光導波路がエピタキシャル成長法で一体的に積層されて集積化され、それらの光学モードのエバネセント場により結合されているような技術の１つである。その技術は柔軟性がある。異なる光導波路が鉛直方向に分離され、そのためにそれらの導波層を独立に設計することができるからである。さらに、製造が比較的容易である。なぜならば、前記多機能光通信集積回路は１のエピタキシャル成長工程および標準的な半導体製造工程を用いて製造されることができるからである。設計の柔軟性および費用対効果の高いウェハ製造に対する適合性の組合せが多導波鉛直方向集積化を、高機能で安価な光学素子の大量生産に対する魅力的で融通の利く集積化技術にさせている。
【０００７】
その一方で、前記多導波鉛直方向集積化プラットフォームに基づく光通信集積回路の設計は能力がためされる。なぜならば、前記多機能光通信集積回路構造の鉛直方向の異なるレベルに機能的に異なる波長要素を、鉛直方向に積層された光導波路間の光信号の制御可能な遷移を介して共通の光回路へ作り上げる必要性のためである。その際、前記課題はさらに複雑化し、前記光通信集積回路は複数の波長において作動し、各々の波長は、前記多機能光通信集積回路構造のある鉛直方向のレベルで指定された導波路において生成され、または処理され、または検出されるが、全ての波長は、同一の入力／出力光ポートを共用している。特に、以降、鉛直波長（デ)マルチプレクサ（ＶＷＭ）と呼ぶ導波路装置に対し、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岐を可能にする必要性があり、その結果、使用中に、各特定の波長の範囲における信号が前記波長指定（共通）入力導波路から前記共通（この波長指定）出力導波路内へ、前記他の波長指定導波路との顕著な相互作用なしに遷移する。加えて、それはコンパクトで、前記光通信集積化回路の動作要件に従順で、前記製造工程の変更に寛容であるべきである。
【０００８】
鉛直波長（デ）マルチプレクサとしての資格を与えることができるものの初期の構造は２導波路構造に基づくものであって、当初Suematsu等（「多重へテロ構造をもった集積化２導波路AlGaAsレーザ」、IEEE J. Quantum Electron., Vol. 11, pp457-460, 1975）によって提案された。これは根本的には、方向性結合器配列であり、そこには、薄い透明層が２つの導波路に分離して、その結果、使用中にあっては、特定の波長および偏光をもつ光信号が、前記光信号の前記波長および偏光に固有な予め定めた伝播距離にわたって２つの間を完全に遷移する。非常に単純である一方、この設計は比較的狭い作動波長帯域および高い偏光の感度を被り、両者は前記鉛直方向に積層された導波路間の遷移の共鳴結合機構に関係する。
【０００９】
最近、波長選択方向性結合器を鉛直方向の波長分岐に用いる考えが、さらなる研究により、共鳴格子利用結合（例えば、R.C.  Alfernes等、「回折格子補助InGaAsP InP 鉛直方向の共通方向性結合器フィルタ」、Appl. Phys. Lett., Vol. 55, P.2011, 1989）または共鳴エバネセント場結合のような、主として共鳴結合技術に基づいて発展した。共鳴エバネセント場結合技術自体は、平面状導波路（例えば、Ｖ.Ｍagnin 等、「多重モード希釈化導波路に基づく1.3/1.55μｍの波長選択的なp-i-n フォトダイオードの設計および最適化」、IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 17, No.2, pp.459-461, 2005）、直線隆起導波路（例えば、Ｃ.Wu, et al., 「極狭バンド幅の鉛直方向に結合したInGaAsP/InP 方向性結合器フィルタ」、IEEE Photon. Technology Lett., Vol. 3, No.6, pp.519-521, 1991）およびテーパ状隆起導波路（例えば、Ｃ.‐Ｗ. Lee et al., 「偏光の独立結合および偏光モード分岐のための非対称的導波路鉛直方向結合器」J. Lightwave Technol., Vol. 23, No.4, pp.1818-1826, 2005）を用いる解決法へ細分される。
【００１０】
前記共鳴格子利用設計を解析すると、これらが狭い波長通過帯域の用途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化導波路を分離する層に形成されることを要求することを示している。これは、１工程のエピタキシャル成長の使用、すなわち、高い生産量および第III族−第Ｖ族半導体物質上に素子を製造するという低コストの方法を可能にするという前記鉛直方向集積化プラットフォームの顕著な利益を排除する。
【００１１】
共鳴エバネセント場結合設計では、鉛直方向集積化導波路間の遷移は、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および偏光に特有のものである。これは劇的に完全に機能的な光通信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設計を狭い通過帯域の用途にのみ限定している。
【００１２】
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更でさえ、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し素子を無意味にする結果になり兼ねないので、狭い波長通過帯域設計は、厳しい製造交差を要求する。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。
【００１３】
ごく最近、前記多導波鉛直方向集積化（ＭＧＶＩ）プラットフォーム内での用途に適した鉛直波長（デ)マルチプレクサ（ＶＷＭ）設計への一般的な方法が、Ｖ.Tolstikhin 等（「集積化鉛直波長（デ）マルチプレクサ」米国特許出願11/882,126）によって提案されている。この先行技術にあっては、集積化された鉛直波長（デ）マルチプレクサは共通導波路と複数の波長指定導波路との間の横方向のテーパ利用の断熱的遷移の原理に基づいて作動する。前記導波路の全ては、鉛直方向に積層されて集積化され、それらの導波層のバンドギャップ波長（以降、「バンドギャップ波長」と呼ぶ）が増大する順序で順次位置し、前記共通導波路は、前記多導波鉛直方向集積化構造の底にあり、最長のバンドギャップ波長に相当する波長指定導波路は、前記多導波鉛直方向集積化構造の頂点にある。前記共通導波路を共用する前記複数の波長の内のあらゆる波長にとって、この共通導波路と波長指定導波路との間に合致する波動インピーダンスは、ある予め定めた距離で発生し、そのため、使用中に、より長い波長は前記共通導波路内をより遠くに伝播して断熱的にそれらの指定導波路に伝播される。これは、あらゆる各導波路のレベルに形成されかつ前記導波路有効屈折率または言い換えれば前記導波路の波動インピーダンスを予め定めた方法で変更するために、順次コヒーレント的に調整された前記多工程横方向テーパを操作することによって達成される。
【００１４】
多導波鉛直方向集積化プラットフォームに基づき前記光通信集積回路（ＰＩＣｓ）内で使用するために鉛直波長（デ）マルチプレクサ構造を製造することは、一般的、コンパクトかつ容易である一方、上述した集積化導波路装置は、制御可能な波動インピーダンスの伝播方向に沿った変化にとって必要なこの構造の重要な要素である多工程横方向テーパは、それらが形成されるべき波長指定導波路の希望する配置と必ずしも相性が良くないだろうという点で固有の制約をもっている。したがって、前記多導波鉛直方向集積化（ＭＧＶＩ）のプラットフォーム内に増大した設計の柔軟性を提供することによって、この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。この解決法は、さらに、汎用性のある光通信集積回路プラットフォームとして、１工程のエピタキシャル成長および標準的な半導体製法に基づいて、その利益を促進するだろう。
【００１５】
前記発明の目的は、前記多導波鉛直方向集積化（ＭＧＶＩ）プラットフォーム内の前記鉛直波長（デ）マルチプレクサ（ＶＷＭ）構造であって、複数の波長帯域（簡単のために、以後、「波長」と呼ぶ）における前記光信号の制御可能な反共鳴断熱遷移のためであり、該複数の波長は、他の導波路と顕著な相互作用なしで、複数の波長指定導波路に対して前記共通導波路内を共通方向または双方向に伝播して、使用の際には、前記共通および指定導波路の全ては前記同一の多導波鉛直方向集積化構造の種々の導波層に形成されて、一体的に前記同一の半導体基体上に１のエピタキシャル成長工程で集積化され、それにも拘らず相互に独立に最適化される。
【発明の概要】
【００１６】
該発明によると、前記鉛直波長（デ）マルチプレクサ（ＶＷＭ）は、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構造と、任意の作動波長より十分下のバンドギャップ波長をもつ共通導波路と、異なるバンドギャップ波長をもった複数の波長指定導波路とを有し、このエピタキシャル構造中に形成された全ての導波路は、鉛直方向に積層して集積化されかつ前記バンドギャップ波長が増大する順序に順次配置され、そこには、少なくとも横方向のルータを装備した少なくとも１の波長指定導波路を有し、他の波長によって共用されている光学的軌道から離れた対応する波長内に光学的信号を横方向に切り換え、したがって、この（これらの）指定導波路の独立した設計およびその最適化を可能にし、その結果、使用の際に、複数の前記波長範囲における光信号は共通導波路と複数の指定導波路との間を効率的に遷移するが他の指定導波路との顕著な相互作用やこの（これらの）特定の指定導波路の動作を危うくすることはない。
【００１７】
ここで開示されている前記鉛直波長（デ）マルチプレクサにおいて、共通導波路から波長指定導波路への導波光の横方向の切換えを特徴付ける前記遷移は、２つの連続する工程で生ずる。第１の工程では、前記共通導波路を共用する複数の波長の内の１の波長での光信号は、鉛直方向にこの導波路から前記指定導波路の前記導波層へ遷移する。先行技術、V.Tolstikhin 等（「集積化鉛直波長（デ）マルチプレクサ」米国特許出願11/882,126）を参照のこと、の教示と同様にそのような遷移に対する前記設計上の制御は多工程横方向テ−パを用いることによって達成され、多導波鉛直方向集積化（ＭＧＶＩ）構造内での各導波レベルで定義され、かつ前記波導インピーダンスが前記共通導波路と波長指定導波路との間で前記伝播方向に沿った一定の所定の距離で一致を確実にするように設計され、該距離はより短い波長に対しては複数の作動波長からより短く、より長い波長に対してはより長い。前記第２の工程において、その特定の指定された波長によって、既に鉛直方向にその指定導波路の前記導波層に閉じ込められた光信号は、導波路の湾曲、転向ミラー、コーナーレフレクタ、または前記光通信集積回路の設計者に利用可能な適当な導波路装置のような要素を用いることによって、この導波路に向かって横方向に切り換えられる。
【００１８】
同様にして、複数の波長の前記光信号についての複数のそれらの指定導波路から前記共通導波路への前記遷移も２つの連続する工程で生じ、第１は、前記多導波鉛直方向集積化構造の対応する導波層へのそれらの鉛直方向の閉じ込めが続行される間での横方向の前記信号の切換えによって、第２には、前記多導波鉛直方向集積化構造の指定導波層から前記共通導波路への前記光信号の鉛直方向の遷移による。
【００１９】
前記鉛直波長（デ）マルチプレクサにおける前記共通導波路はいつも受動的導波路であって、前記鉛直波長（デ）マルチプレクサ内を伝播する光信号の任意の作動波長より十分下のそのバンドギャップ波長をもっている。それは前記指定導波路に関係しているので、これらの両者は受動的（指定波長は明らかにバンドギャップ波長よりも短い）または能動的（指定波長は前記バンドギャップ波長に接近しまたはそれより上）の導波路または前記受動的及び能動的導波路の組合せである。通常、受動的導波路は光通信集積回路の入力／出力光ポートを前記光通信集積回路の他の部分と接続するために供給されるが、それはまた他の集積化光通信集積回路の一部、例えば方向性カップラまたはある種の平面状（デ）マルチプレクサであって作動のために光―電気または電気−光変換を要求しないものであっても良い。通常、能動的導波路、典型的には、光導波路の導波層として同時に作用する狭いバンドギャップの固有領域をもつ光通信集積回路のヘテロ構造を含有するが、反対に、光―電気または電気―光変換であって、例えば、光信号の生成（レーザ）または検知（フォトダイオード）を提供するために供給される。
【００２０】
横方向の切換えを特徴とする波長指定導波路が受動的導波路である場合には、前記横方向のルータは、問題となっている前記指定導波路と同じ前記多導波鉛直方向集積化（ＭＧＶＩ）構造の導波層に形成されることができる。しかしながら、波長指定導波路が能動的導波路の場合には、これは、前記横方向ルータにおいて受け入れることができないほど高い挿入損失に帰着するかもしれない。そのような場合には、２つの鉛直方向に積層された導波層を有する前記指定導波路の前記導波層を持つことは有益だろう。この導波層は各々この層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、そのより低い導波層はこの指定導波路（すなわち、この指定導波路の作動波長よりも短いバンドギャップ波長をもつ）に相当する波長内の光信号に対し透明である。したがって、より低い前記導波層は、損失のないまたは小さい損失で、光信号のより上の導波層に形成された指定能動的導波路への横方向の切換えのための導波ルータを形成するために用いることができるだろう。
【００２１】
上記種類の最も簡単な集積化光通信装置は２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサであって、そこには、以降、第１及び第２の波長として呼ぶ波長λ１およびλ２(λ２＞λ１)で作動する２つの指定導波路が、各々、鉛直方向に同一の基体で前記共通導波路の上に集積化され、該共通導波路は、共用された入力または出力光ポートと接続され、以後、第２の指定導波路として呼ぶ、より長い作動波長を持った指定導波路は、横方向に共通導波路と整列しているが鉛直方向に離れている一方、以降、第１の指定導波路と呼ぶ、より短い作動波長を持つ前記指定導波路が横方向かつ鉛直方向に前記共通導波路及び前記第２の指定導波路から離れており、１または他の導波路の切換えの解決法を用いることによって、多導波鉛直方向集積化構造設計と融和性がありかつ全光通信集積回路ＰＩＣ動作要件に従順である。
【００２２】
下記の２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサの典型的な実施の形態にあっては、両方の指定導波路は能動的導波路であって、したがって、前記第１の指定導波路は、横方向に前記共通導波路及び第２の指定導波路から切り離されているが、二重のコアの導波層をもち、より低いものは第１の波長に対し透明であり、小さい超過損失で、共通導波路及び第２の指定導波路と離れてこの波長での光信号の横方向の切換えに使用されることができる。いわゆる当業者は、２つの受動的指定導波路または能動的及び受動簡単に理解するであろう。
【００２３】
本発明の第１の実施の形態に係る２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサは多導波鉛直方向集積化構造に関するものであって、そこでは、前記第１及び第２の指定導波路の双方が光検出器であり、したがって、２の異なる波長で独立に検出された入力する光信号に対し一体的に集積化された２色受信器を可能とする。そのような集積化光通信装置において、前記第１の指定導波路の配置は、前記共通導波路および第２の指定導波路から横方向に離れた導波光検出器であるが、任意の想像可能な方法で、例えば、より高い装置の応答性および／または速度のために、第２の指定導波路の構造または動作に影響を与えることなしに最適化することができる。もし、前記第１の指定導波路内の前記光検出器が横方向に離れていないならば、そのような最適化が不可能であろうのみならず、通常前記能動的隆起導波路の頂上に置かれた接触金属は、前記第２の指定導波路及び前記鉛直波長（デ）マルチプレクサ全体の設計および最適化を制限するだろう。
【００２４】
本発明の第２の実施の形態に係る２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサでは、前記第１及び前記第２の指定導波路の両者は端部放射半導体注入レーザであり、したがって、出力光信号が２つの異なる波長で独立に生成される一体的集積化２色送信器を可能にする。この集積化光通信装置では、前記共通導波路及び前記第２の指定導波路から横方向に離れた端部放射レーザである前記第１の指定導波路は、例えば、前記レーザの隆起上またはその側面にある前記隆起の前記頂上の表面からブラッグ回折格子を刻むことによって達成可能な分散型のフィードバック／反射率のために、前記第２の指定導波路の構造または動作に影響を与えることなく、独立に設計されかつ最適化されることができる。再度、もし前記第１の指定導波路内の前記レーザが横方向に離れていないならば、前記レーザの隆起の頂上または側面の格子が刻まれた表面は、前記隆起の頂上にある接触金属とともに、前記第２の指定導波路及び前記鉛直波長（デ）マルチプレクサ全体の構造および最適化を制限するだろう。
【００２５】
第３の典型的な実施の形態に係る前記２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサにあっては、前記第１の指定導波路は光検出器であり、前記第２の指定導波路は、端部放射半導体注入レーザであり、したがって、一体的集積化トランシーバであって、入力する光信号はより短い波長で受信し、出力する光信号は、より長い波長で送信される。λ１＝1310nmおよびλ２＝1490nmの特定の場合には、この実施の形態は、家庭までのファイバ接続（ＦＴＴＨ）の受動的光通信ネットワーク（ＰＯＮｓ）における時間領域多重化（ＴＤＭ）ファイバ光通信ラインの端末（ＯＬＴ）の用途に対する単一ファイバ双方向光トランシーバに関係する。上述の第１の実施の形態におけるように、前記第１の指定導波路である光検出器の配置は、横方向に前記共通導波路及び前記第２の指定導波路から離れているが、前記第２の指定導波路であるレーザの前記構造または動作に影響を与えることなく独立に最適化されることができる。
【００２６】
第４の典型的な実施の形態に係る前記２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサにあっては、前記第１の指定導波路は端部放射半導体注入レーザであって前記第２の指定導波路は光検出器であり、したがって、一体的に集積化された双方向トランシーバであって、出力光信号がより短い波長で送信され入力光信号がより長い波長で受信されるものを可能とする。λ１＝1310nmおよびλ２＝1490nmの特定の場合には、この実施の形態は、単一ファイバ双方向光トランシーバであって、時間領域多重化（ＴＤＭ）「家庭までのファイバ接続」（ＦＴＴＨ）の受動的光通信ネットワーク（ＰＯＮｓ）での光通信ネットワーク装置（ＯＮＵ）の用途のためのものに関係する。上述した第２の典型的な実施の形態におけるように、前記第１の指定導波路、すなわち、前記共通導波路および第２の指定導波路から横方向に離れた前記レーザの配置は、前記第２の指定導波路である光検出器の設計および動作に影響を与えることなく独立に最適化されることができる。
【００２７】
前記導波路の他の組合せである光検出器および端部放射半導体注入レーザが、多波長をもった複雑さの拡張と同様に、作動波長による各光信号の受信及び送信を可能にすることはいわゆる当業者にとって明らかである。いわゆる当業者にとって、受信及び送信に加えて、前記鉛直波長（デ）マルチプレクサとともに集積化された光学的機能は拡張されて、増幅、減衰、切換え、及び経路指定を含有するがそれに限定されないことは明らかである。このようにして、前記鉛直波長（デ）マルチプレクサは、前記多導波鉛直方向集積化（ＭＧＶＩ）プラットフォーム内で光通信集積回路（ＰＩＣ）設計に対する一般的な構成要素を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
本発明の典型的な実施の形態が次の図面とともに記述されるだろう。
【００２９】
図１はTolstikhin 等（「集積化鉛直波長（デ）マルチプレクサ」米国特許出願11/882,126）による２波長の集積化鉛直波長（デ）マルチプレクサの形態での先行技術を示し、１の共通受動的導波路と２つの波長指定能動的導波路とを有する。
【００３０】
図２は、１の共通導波路および２個の波長指定導波路を有する２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサの形態での本発明の実施の形態に係る模式的斜視図を示し、その第１の指定導波路は、前記共通導波路及び前記第２の導波路から鉛直方向及び横方向に離れており、前記第１の（より短い）波長の横方向の切換えが導波路の湾曲を用いて達成される。
【００３１】
図３は、導波路の湾曲によって横方向の切換えが達成される２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサにおける前記共通導波路からの鉛直方向の分岐の後に前記第１の（より短い）波長の横方向の切換えに関係する本発明の第１の実施の形態を示す。
【００３２】
図４ａは、図３に示されかつ表１に詳述された典型的な層構造をもつ前記鉛直波長（デ）マルチプレクサにおける開始点での前記共通導波路内における、２つの作動波長、λ１及びλ２（λ１＜λ２）における前記光導波モードのシミュレートされた２次元の輪郭を示したのである。
【００３３】
図４ｂは、図３に示されかつ表１に詳述された典型的な層構造をもつ前記鉛直波長（デ）マルチプレクサの中央における、２つの作動波長、λ１及びλ２（λ１＜λ２）における前記光導波モードのシミュレートされた２次元の輪郭を示す。
【００３４】
図４ｃは、図３に示されかつ表１に詳述された典型的な層構造をもつ前記鉛直波長（デ）マルチプレクサの端部における、２つの作動波長、λ１及びλ２（λ１＜λ２）における前記光導波モードのシミュレートされた２次元の輪郭を示す。
【００３５】
図５は、前記導波路の湾曲に隣接する反射する深いエッチングによる溝で補完された導波路の湾曲を用いることで横方向の切換えが達成される２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ内での前記共通導波路から鉛直方向に分岐した後の前記第１の（より短い）波長の横方向の切換えに関係する本発明の第２の実施の形態を示す。
【００３６】
図６は、前記導波路の湾曲に隣接した浅いエッチングの横方向反共鳴反射光学導波路（ＡＲＲＯＷ）構造で補完された導波路の湾曲を用いて横方向の切換えが達成される前記２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ内での前記共通導波路からの鉛直方向の分岐の後の前記第１の（より短い）波長の横方向の切換えに関連する本発明の第３の実施の形態を示す。
【００３７】
図７は、浅いエッチングの全反射（ＴＩＲ）ミラーを用いて横方向の切換えが達成される２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサにおける共通導波路から鉛直方向の分岐の後の前記第１の（より短い）波長の横方向の切換えに関連する本発明の第７の実施の形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明の実施の形態に係る詳細な説明をTolstikhin（米国特許出願  同上）による２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサの先行技術の構造および作動原理の検討から始めることは有益である。図１に関して、この集積化光通信装置の模式的な斜視図および断面図が示され、それは１の共通受動的導波路１１０および２つの波長指定能動的導波路１１１、１１２を特色としているが、全導波路は同一の半導体基体上（図示せず）に、鉛直方向に集積化されかつ半導体処理工程によって縦方向（すなわち、伝播方向）に分化されている。この多導波鉛直方向集積化装置において、各導波路はバンドギャップ波長λＧによって定義される導波層をもち、該バンドギャップ波長は周囲のクラッド層におけるバンドギャップ波長よりも長い。前記能動的導波路の前記導波層でのバンドギャップ波長λＧ０は、前記第１の指定導波路のバンドギャップ波長λＧ１よりも短く、該波長は、同様に、前記第２の指定導波路のバンドギャップ波長λＧ２よりも短く、すなわち、λＧ０＜λＧ１＜λＧ２である。２つの作動波長範囲であって、波長λ１及びλ２に中心をもち、前者が後者よりも短い、すなわち、λ１＜λ２を考慮すると、両者は前記共通導波路の前記導波層内の前記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の前記導波層内の前記バンドギャップ波長に接近しまたはより下、すなわち、λＧ０＜λ１（２）≦λＧ１（２）である。
【００３９】
図１に示された前記多導波鉛直方向集積化構造において、任意の作動波長における、３つの導波路１１０−１１２の各々での前記導波層は、隣接するクラッド層内での屈折率よりも高い屈折率をもち、これは、この層内及び周囲における光学場の鉛直方向の閉じ込めに対する条件である。それは必要ではあるが、この条件は、現実に生ずるそのような閉じ込めに対しては十分ではない。導波モードを支持する前記導波層の能力は、前記導波路の横方向の構造にも依存している。特に、鉛直方向のエッチングによって横方向に囲まれた隆起導波路内における前記導波層はいつも少なくとも１の導波モードを支えるには、前記エッチングがこの層の上で停止し（この状況を、以後「浅いエッチング隆起導波路」または「浅いエッチング」という）、全ての導波モードを支えていない場合は、前記エッチングがこの層を貫いている（この状況を、以後「深いエッチング隆起導波路」または「深いエッチング」という）、かつ前記隆起の幅ｗは、ある所定の遮断臨界幅ｗCOよりも狭い。前記最後のパラメータは前記波長に依存し、InPに関連する第III族−Ｖ族半導体物質からなる多導波鉛直方向集積化構造内で、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。これは、波長に敏感な導波を可能にし、その際、前記隆起の与えられた幅ｗに対して、前記遮断条件：ｗCO(λco)=ｗから決定されるλCOより短い波長での光学的場は導波されるが、より長い波長は導波されない。
【００４０】
図１によって示された導波路装置において、前記第１の深いエッチング指定隆起導波路は前記第１の波長λ１よりも上であるが前記第２の波長λ２よりも下、すなわちλ１＜λco1＜λ２の基本モードの遮断波長を持っている一方、前記第２の深いエッチング指定隆起導波路は前記第２の波長λ2よりも上、すなわちλco2>λ２の基本モードの遮断波長をもつ。前記第１および第２の能動的導波路は、実際に光学場をそれらの導波層内を導くことができるが、その場合はこれらの導波層が前記深いエッチング隆起の一部として存在しかつ前記隆起の幅が前記隆起の遮断幅よりも大きい場合のみである。したがって、Tolstikhin（米国特許出願  同上）によると、横方向にテーパ状の前記能動的導波路の隆起によって、前記第１および第２の作動波長、λ１およびλ２における光学モードが前記第１および第２の能動的導波路と各々結合されるべき前記必要十分条件が、前記伝播方向に沿った予め定めた距離で生み出されることができる。
【００４１】
この教示に従った前記導波路の層構造の設計および配置は一体的に集積化された鉛直波長（デ）マルチプレクサを生み出し、そこでは、共通方向または双方向に前記共通導波路内を伝播する前記入力信号１１０によって示されるような異なる波長範囲の２つの光信号が鉛直方向に２つの波長指定導波路であって各々信号１１１および１１２で表されるものに鉛直方向に分岐することができる。これは多導波鉛直方向集積化（ＭＧＶＩ）環境における前記波長逆多重化への非常に一般的な方法であるけれども、いわゆる当業者はそれは前記第１の指定導波路の配列の設計を、第１の能動的導波路と同一のレベルで形成された深いエッチング横方向テーパの要求された動作と融和性があるように制限するものであることを理解できる。特に、前記第１の波長で作動する第１の深いエッチング指定導波路の幅は、前記第１の指定導波路の全長にわたって、前記第２の波長に対する前記遮断幅より下、すなわち、λ２＜λco１（λ２）のままであるべきである。これは、もし前記第１の指定導波路が低い抵抗の頂上の接点または／および前記隆起の頂上または側面の表面エッチング格子または／およびこの指定導波路設計によって要求される同様な性質の任意の他の特徴をもたなければならないならば、これは実行するのに困難であろう。さらに、前記第２の波長１１２の遷移は、頂上の接点または頂上／ 側面の格子のような前記第１の指定導波路１１１と連結する全ての機能的な要素が実行されて初めて断熱的に結合できるので、長い構造に帰着し、それによってウェハ当たりの打ち抜き数を制限しかつ素子コストを増大させることはいわゆる当業者には明らかであろう。
【００４２】
この課題に対する解決法は図２に示され、それは、１の共通導波路および２つの波長指定導波路を有する本発明の第１の実施の形態に係る２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ２００での模式的な３次元図を提供している。この導波路の配置の底の部分は、図１に示された先行技術のものと同一であるが、両者の間には設計および作動原理における根本的な相違がある。
【００４３】
設計に関して、前記多導波鉛直方向集積化構造は、前記第１の指定導波路の前記導波層が２つの層からなっており、その各々は前記第１の作動波長での導波モードを支えることができ、そのより低いコア層はこの波長に対して透明である（すなわち、前記第１の作動波長より十分上のバンドギャップ波長をもつ半導体物質から製造された）という点で異なる。もう１つの設計上の相違は、前記導波路のルータが前記第１の指定導波路の導波層のより低いコア内に形成され、かつ横方向のものであって、一旦前記第１の（より短い）作動波長内の光信号が鉛直方向に前記第２の（より長い）作動波長での光信号から分岐しかつこの層に結合すると、それは前記共通導波路および前記第１の指定導波路から横方向に切り換えることができる点で相違する。前記横方向のルータの現実の設計は変更可能であるけれども、ここで開示されている前記鉛直波長（デ）マルチプレクサのいずれの実施の形態での役割は同一のままであって、それらが既に鉛直方向に分離した後に前記第１および第２の作動波長での前記光信号を横方向に分離する。これは、前記第１および第２の受動的導波路の配置設計が、相互に独立に最適化されることを可能にし、したがって、前記鉛直波長（デ）マルチプレクサおよび全体の光通信集積化回路、その回路の一部であっても良いが、設計の柔軟性を増進する。いわゆる当業者にとって明らかであろうことは、前記第１の作動波長の結果としての分離はその指定導波路の機能的要素が、前記第２の断熱的結合器および前記第２の指定導波路の機能的要素を実行するために使用されるものと同一の縦型の設置面積内で実行されることを可能とする。そのような前記２工程の鉛直波長（デ）マルチプレクサ２００は、先行技術の機能的に同一の１工程鉛直波長（デ）マルチプレクサよりもより短いので、ウェハ当たりの打ち抜き型の個数を増大させ、電気的な相互結合性、素子配置等の柔軟性を増大するとともに、素子費用を削減する。
【００４４】
作動原理に関して、図１および図２に示された２つの導波路装置の間の相違は、前者が、前記第１および第２の作動波長での前記光信号の間の空間的な分離が鉛直方向の分岐によってのみ達成されるのに対して、後者では、２つの波長の間の分離は鉛直方向の分岐と横方向の経路の設定の双方を組み合せている点である。前者は、先行技術におけるTolstikhin（米国特許出願  同上）によって記載されたものと同様な処理により、後者は、前記第２の（より長い）波長をまだ閉じ込めている受動的導波路から離れた前記第１の（より短い）波長の横方向の切換えによる。これは、前記第２の波長と前記第１の指定導波路との間の相互作用を削減し、このようにして、前記鉛直波長（デ）マルチプレクサおよび前記光通信集積化回路の全体、該回路の一部であっても良いが、その動作を改善する。
【００４５】
前記一般的な２工程の鉛直波長（デ）マルチプレクサ構造の重要な要素が、図２に示され、そこには２波長装置２００が示され、共通の受動的導波路２１０と、第１の指定受動的導波路２２０と、第２の指定受動的導波路２３０とともに、前記第２の導波路の前記光信号の前記受動的導波路２１０から、第２の指定導波路２３０へ制御可能な断熱的遷移のための２工程横方向テーパ２４０，２５０とを有する。前記第２の波長をまだ閉じ込めている前記受動的導波路から前記第１の波長を切り換えるための前記横方向のルータは、図２に示した特定の実施の形態にあっては導波路の湾曲２６０の形態で実行される。
【００４６】
図３に関しては、本発明の第１の形態に係る２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ３００が示され、前記第２の波長から鉛直方向に分離した後に前記第１の波長の横方向の切り換えのための前記導波路の湾曲の使用に基づいている。湾曲設計に対する主要な要件は、低い損失およびコンパクトさであり、その２つは、明らかに結びついていない。なぜならば、前記湾曲の曲率が高くなればなるほど、前記湾曲した導波路部分を通して伝播する光信号によって体験される放射損失は高くなるかである。しかしながら、前記要件及び前記鉛直波長（デ）マルチプレクサの隆起導波路配置との融和性の双方を満足する高性能の導波路湾曲設計の可能性は、先行技術の多く、例えば、L.H.Spiekman等（極小導波路湾曲：将来のコーナ・ミラー？）IEE-Proc.-Optoelectronics, Vol. 42, PP. 61-65 (1995)によって示されている。
【００４７】
図3に示された導波路配置の典型的な多導波鉛直方向集積化（ＭＧＶＩ）層構造であって、波長λ１=1310nmおよびλ２=1490nmおよびInP基体上の１工程のエピタキシャル成長でのInPを素材とする物質系で実施可能なものが表１に与えられている。
【表１】
2010510548.tif 000003
【００４８】
概略上述したように、２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ３００の前記受動的光学的軌道は、
ａ. 層０−２からなり、作動波長λ１及びλ２の両方より十分下の前記バンドギャップ波長をもつ物質からなり、十分なエバネセント場結合を、以降もまた「遷移導波路」と呼ぶ二重コアの第１の指定導波路のより低い導波層に提供する間に、これらの波長における伝播損失を最小化するように設計されている共通導波路と、
ｂ．層４−６であって、両方の作動波長に対して透明であり、したがって、作動波長λ１及びλ２の両方より十分に下のバンドギャップ波長を持つ物質で製造され、これらの波長の各々での前記共通導波路モードのエバネセント場を結合するように設計され、使用中にあっては、前記遷移導波路の層は前記共通導波路の浅いエッチング隆起および前記遷移導波路の深いエッチング隆起の形成の両方に使用されることができる遷移導波路とを有する。
【００４９】
前記第１及び第２の能動的導波路２２０，２３０は、前記第１及び第２の波長の動作のために各々設計されたものであり、表１に概略示された前記鉛直波長（デ）マルチプレクサの能動的部分の上に成長した。２波長の能動的波長指定導波路を特徴とする前記２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサの４つの実施の形態の各々に対しては、λ１は、前記第１の指定導波路のより上の前記導波層の前記バンドギャップ波長λＧ１よりも短いかまたはそれに接近しており、前記λ２は前記第２の指定導波路のより上の前記導波層２３０の前記バンドギャップ波長λＧ２よりも短いかまたはそれに接近しているが、λＧ１よりは長い、すなわち、λ１≦λＧ１＜λ２≦λＧ２，λＧ１である。
【００５０】
前記図３に示され、および表１に詳述された典型的な多導波鉛直方向集積化（ＭＧＶＩ）構造に基づいた前記波長配置の横方向という特徴は、導波、テーパおよび湾曲のような全てが標準の半導体エッチング処理によって形成され、前記隆起構造に関しては、層６の頂上の表面で始まり、全体の遷移導波路束を通して進み、前記エッチング止め層３を通過した後終了する。半導体導波路設計のいわゆる当業者には、種々の物質系（例えば、AlGaInAs−InPまたはAlGaAs−GaAs）に基づいた多数の他の解決法および前記要求された導波性を達成するための方法は明らかであろう。例えば、有効屈折率の希望する値に届くために、正しく調整された厚さを持った他のより低いおよびより高い屈折率物質からなる異種の透明な光学的層が、同様な光学的動作に関して、要求された物質の組立ておよび厚さでの成長が困難な同種の物質の代わりに形成されることができる。
【００５１】
任意の鉛直波長（デ）マルチプレクサに一般的な作動原理が図４ａ，４ｂ，４ｃに記述され、該図は、実施の形態に係る前記２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ２００，３００であって、図２および図３に各々模式的に示されたものの数値シミュレータの結果を提供している。両者は、前記鉛直波長（デ）マルチプレクサの前記横方向のルータ要素に対し前記導波路の湾曲を用いている。前記シミュレータで用いられた前記層構造は、上述の表１の層構造である。図４ａから図４ｃは、図３に示された導波路配置の異なる断面における光学場の２次元の輪郭である。
【００５２】
２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ３００の一端では、両方の作動波長によって共用される入力／出力ポートと接続され、それらの各々での光信号が、前記構造の底で前記共通の導波路内に閉じ込められている。これは図４ａから見ることができ、図４ａは図３に示された構造の前記底での光学モードのＸ−Ｘ線視左断面の２次元場の輪郭を与えている。前記受動的導波路での鉛直方向の閉じ込めは、前記導波層と隣接する層０−２の正しい設計によって確実にされる一方、前記横方向の閉じ込めは、前記遷移導波層４−６に形成されているように、浅い隆起によって提供される。どちらの波長であっても、前記共通導波路は透明で、１の２次元モードのみを支持し、該モードの場の輪郭は、両方の波長において非常に似ているのでそれらは視覚的に識別されない。
【００５３】
前記共通導波路での鉛直方向の閉じ込めは比較的弱いように選ばれ、使用の際には、前記遷移導波層４−６に形成された前記浅い隆起への鉛直方向モードのエバネセント場結合は、第１に、横方向の導波を可能にし、第２に、前記隆起の幅の断熱的な調整を通して前記横方向の導波の効率的な制御を可能にする。前記能動的導波路のＸ−Ｘ線切断面において、前記隆起は、前記導波層内およびその周囲に鉛直方向に閉じ込められた光信号の信頼性の高い横方向の導波のために十分に広く形成されているが、同時に、作動波長のいずれかでの光学場が前記遷移導波路内の鉛直方向に閉じ込められることを防止するために十分な程狭い。前記隆起を先太りにすることによって、これらの条件はより短い波長λ１に対して変更されることができる一方、より長い波長λ２に対しては変更されないままであり、前記隆起のある幅において、前者は断熱的に前記遷移導波路４５０ｂに移送される一方、後者はまだ、前記共通導波路４４０に閉じ込められている。そのような遷移の機構は先行技術でのTolstikhin（米国特許出願  同上）によって記述されたものと似ており、もし前記導波モードが正常な波長分散を体験しかつそれらの導波層においてバンドギャップ波長の増大順に配列され、横方向のテーパによって鉛直方向に積層された導波路の間の鉛直方向の遷移を、波長の選択により制御する能力に基づいている。
【００５４】
断熱的遷移の結果は図４ｂに示され、図４ｂは、表１の層構造に基づく数値シミュレーションによって得られた図３に示した導波路配置の準３次元図のＹ−Ｙ線視横断面における前記第１の（より短い）波長および前記第２の（より長い）波長での光学場の２次元モードの輪郭を示している。この横断面においてより長い前記波長（左側）での光学場は、まだ、受動的導波路内に主として局在化したままである一方、より短い前記波長（右側）での光学場は既に前記遷移導波路と結合している。言い換えれば、Ｙ−Ｙ線視横断面は、前記隆起３５０の断熱的テーパを通じて達成された２つの作動波長の間の完全な鉛直方向の波長分岐を表す。
【００５５】
一旦前記波長が鉛直方向に分離すると、それらはまた、前記遷移導波路内で鉛直方向かつ横方向に閉じ込められた前記第１の波長での前記光の切り換えのための１または他の機構を用いることによって横方向に分離されることができる一方、前記第２の波長は影響を受けない。図３に示された典型的な実施の形態において、これは前記遷移導波路３５０ｂ、３５０ｄの２つの直線部分の間に挿入された前記導波路の湾曲部分３５０ｃを用いて達成される。
【００５６】
前記共通導波路の前記導波層に鉛直方向にまだ閉じ込められた前記第２の波長の横方向の導波を提供するために、前記遷移導波路の他の部分が前記共通導波路と共通の方向に形成されている。それは、前記第２の指定導波路に向かう方向に拡張する横方向のテーパ３６０ａで始まり、前記追加の遷移導波路３６０ｂとの前記第２の波長の断熱的結合し、かつ前記第２の指定導波路に向かう低損失伝播を確実にするように設計されている。一旦前記第２の波長が追加の遷移導波路３６０ｂの直線部分へ結合されると、前記２波長は、全体として互いに横方向に分離する。
【００５７】
上述の処理の結果が図４ｃに示され、該図は、表１の前記層構造に基づいて数値シミュレータによって得られた図３に示す導波路装置の準３次元図のＺ−Ｚ線視横断面における前記第１の波長及び前記第２の波長での光学的場の２次元モードの輪郭を示す。この時点で、より長い波長（左側）における光学場は十分に前記遷移導波層によって形成された前記追加の隆起へ結合され、同時に、より短い前記波長（右側）において前記光学的場から横方向に十分に分離され、これらの層内に殆ど全体として閉じ込められている。したがって、２つの波長は全体として空間的に分離される一方、それらの各々は鉛直方向及び横方向にその指定導波路へ／から導くように遷移導波路内に閉じ込められる。
【００５８】
例えば、「能動的光通信器モデリングに対する半導体異種構造の光学的性質」J. Vac. Science & Technology A, Vol.A18, pp.605-609, 2000、のTolstikhinによって記述されているように、多層異種構造の光学的性質のミクロ計算に基づく光線伝播シミュレーションは、２波長の各々の挿入損失が、1dBより十分下に最小化されることができることを示している。例えば、表１の前記層構造に基づくモデル化された２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ（ＶＷＭ）３００によれば、前記共通導波路からその指定導波路へ遷移したより長い前記波長が体験する端から端までの挿入損失は、約0.5dBにまで削減されることができる。したがって、前記２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ３００における空間的波長分離は、合理的に低い挿入損失で達成することができ、それは、実に本発明のもう１つの利益である。
【００５９】
いわゆる当業者にとって、前記共通導波路から前記遷移導波路への断熱的遷移によって前記第２の（より長い）波長から分岐した後に前記第１の（より短い）波長の前記横方向の切換えの為の遷移導波路湾曲とは異なる他の機構も可能であることは明らかである。２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ３００は２波長スプリッタとしての動作で記述されている一方、他の実施の形態が可能であることはいわゆる当業者にとって明らかであろう。例えば、各部分３６０b及び３５０dの後に１の導波路を付け加えると、本発明の前記第１の実施の形態に記載されているように、光検出器が２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサの受信器を生み出す。前記構造を逆に作動させると、２波長の結合器を提供し、その結果、２つの端部放射半導体注入レーザは本発明の第２の実施の形態に記載されているように、２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ送信器に結合され、さらに、１の波長を１導波路光検出器で、他の波長を１の端部放射半導体注入レーザで実行させることは、本発明の前記第３および第４の実施の形態において上述したように、２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサの双方向のトランシーバを可能にする。
【００６０】
図５は、本発明の前記横方向ルータに関係する前記第２の実施の形態を示し、そこでは、２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ５００の前記遷移導波路５１０ｃの前記導波路の湾曲部分が、前記導波路の湾曲の近傍でエッチングされた湾曲した深い溝５１０dで補完され、その結果、使用の際に、そこを伝播する導波モードへの追加の横方向の閉じ込めを提供し、したがって前記遷移導波路の湾曲部分からのその漏れを削減し、それによって、前記第１の波長に対する挿入損失を改善する。鋭い導波路湾曲及び湾曲した溝の組合せは、図５に示されたものと同様に、前記先行技術により、前記導波路湾曲で生ずる漏れ問題への有効な解決法であることが証明された。例えば、Seo等（「湾曲リブ導波路での低い遷移損失」、J.Lightwave Technology, Vol. 14, No.10, PP.2255-2259, 1996）を参照のこと。さらに、同一の性質の改善は、連続的な／断片化された溝を前記導波路の湾曲の内部または／および外部に追加することによって達成することができる。
【００６１】
図６に関し、本発明の第３の実施の形態に係る前記横方向ルータが示され、そこでは前記第１の波長の横方向の切換えが、さらに前記遷移導波路６１０ｃの湾曲によって達成されるが、前記導波路の湾曲に隣接し半導体エッチング処理によって形成された横方向のアロー構造６１０eから６１０ｇの設計および作動原理が、前記遷移導波路の前記湾曲部分からの前記光学モードの漏れを削減するのに役立つ追加の特徴として採用されている。前記アロー構造６１０eから６１０gは、前記先行技術に十分に記述されている。例えば、Galarza,et al (「アロー効果を用いた簡単な低損失導波路湾曲」、Appl. Physics B. Vol.80, PP.745-748, 2005)を参照のこと。前記導波路湾曲の外部に追加されたより高い湾曲した横方向アロー構造は、特大な損失なしでより高い湾曲する曲率を可能にし、したがって、より小さな設置面積の設計を可能にする。
【００６２】
図７は本発明の第４の実施の形態に係る前記横方向のルータを示し、２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサにおける前記第１の波長の前記横方向の切換えのための機構は前記遷移導波路７１０ｂと７１０ｃの２つの直線部分の間にエッチングされた角のある溝７１０ｃ内の全反射（ＴＩＲ）に関係する。前記共通導波路と第１の指定導波路との間で前記第１の波長にある導波された光信号を切り換えるための前記横方向導波路ルータは、図７に示すように、全反射ミラー７１０ｅおよび導波路湾曲７１０ｄ、または、前記全反射ミラーと前記導波路湾曲とのもう１つの組合せであって、そこにはこれらの２つの要素が伝播方向に関して反対の順に位置している、または２つの全反射ミラーであって、１の反射ミラー７１０ｅは図７に示され、かつ前記導波路湾曲７１０ｄの代わりの他のものからなるのが良い。
【００６３】
いわゆる当業者にとって、上述した２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ３００，５００，６００，７００の各々の前記受動的導波路の経路における２つの波長の共通方向および双方向の両者の伝播が可能であって、前記波長の分岐および結合の機能が各々可能であることは、いわゆる当業者にとって明らかである。このようにして、本発明の実施の形態に係る各前記横方向ルータ３００，５００，６００，７００が採用されて、２波長の受信器または送信器またはトランシーバを可能にする鉛直波長（デ）マルチプレクサを形成する。
【００６４】
さらに、いわゆる当業者にとって、前記２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサが、多波長回路に対する構成要素を形成し、多鉛直波長（デ）マルチプレクサ要素が採用されて多波長または波長バンドを、共通送信チャネルへ／から抽出および／または追加する。実施の形態が、２波長の受信器、送信器および双方向のトランシーバに関して記述される一方、本発明の前記鉛直波長（デ）マルチプレクサが、そのような動作、例えば、波長選択スイッチまたは再構成可能なアドドロップマルチプレクサのような動作を要求する任意の他の光通信集積回路（ＰＩＣ）に採用することができる。ある種の光通信回路において、多鉛直波長（デ）マルチプレクサ要素は、挿入損失の補償のために、間に前記半導体光学増幅器の随意的な挿入とともに逐次提供されるのが良いことが想像される。
【００６５】
多数の他の実施の形態が、本発明の主旨または範囲を逸脱することなく想像可能である。
【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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【国際調査報告】
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