(57)【要約】【課題】製造プロセス時のエラーや加工誤差により生じた偏波依存性を、特性劣化を伴うことなく補償できる半導体系材料を用いた波長合分波器を提供する。【解決手段】半導体基板１０１と、基板１０１上に設けられる第一の半導体クラッド層１０２と、前記クラッド層１０２上に設けられるノンドープの半導体コア層１０３と、前記コア層１０３上に設けられる第二の半導体クラッド層１０５と、前記クラッド層１０５と前記コア層１０３との間に設けられる半絶縁性の半導体からなる半絶縁層１０４とを有するアレイ導波路１３０を複数備えるアレイ導波路格子と、前記コア層１０３におけるＴＭモードに対する屈折率を変化させることなくＴＥモードに対する屈折率を変化させるようにアレイ導波路１３０に電界を印加する電極１０６，１０７とを備えて波長合分波器１００を構成した。【選択図】図３
2007133286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられる第一の半導体クラッド層と、
前記第一の半導体クラッド層上に設けられるノンドープの半導体コア層と、
前記半導体コア層上に設けられる第二の半導体クラッド層と、
前記第一の半導体クラッド層と前記半導体コア層との間及び前記第二の半導体クラッド層と前記半導体コア層との間のうちの少なくとも一方の間に設けられる半絶縁性の半導体からなる半絶縁層と
を有するアレイ導波路を複数備えるアレイ導波路格子と、
前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記半導体コア層におけるＴＭモードに対する屈折率を変化させることなくＴＥモードに対する屈折率を変化させるように当該アレイ導波路にそれぞれ電界を印加する電界印加手段と
を備えていることを特徴とする波長合分波器。
【請求項２】
請求項１において、
前記電界印加手段が、
前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記半絶縁層上に位置するように当該アレイ導波路上に配設されて電圧を印加される第一の電極と、
前記アレイ導波路格子の前記第一の半導体クラッド層又は前記半導体基板に設けられて接地する第二の電極と
を備え、
前記第一の電極が、前記アレイ導波路格子の複数の前記アレイ導波路の間を連絡するように当該アレイ導波路の間にわたって配設されると共に、当該アレイ導波路の軸方向の長さを当該アレイ導波路の配列方向一方側よりも他方側ほど長くするように形成されている
ことを特徴とする波長合分波器。
【請求項３】
請求項１において、
前記電界印加手段が、
前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記半絶縁層上に位置するように当該アレイ導波路上に配設されて電圧を印加される第一の電極と、
前記アレイ導波路格子の前記第一の半導体クラッド層又は前記半導体基板に設けられて接地する第二の電極と
を備え、
前記第一の電極が、前記アレイ導波路格子の複数の前記アレイ導波路の間を断続させるように当該アレイ導波路にそれぞれ配設されると共に、当該アレイ導波路の軸方向の長さがそれぞれ等しくなっている
ことを特徴とする波長合分波器。
【請求項４】
請求項２又は請求項３において、
前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路が、軸方向に直線状をなす直線部を有し、
前記第一の電極が、前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記直線部上に配設されている
ことを特徴とする波長合分波器。
【請求項５】
請求項４において、
前記アレイ導波路格子の前記半導体基板が、（１００）面方位を有すると共に、
前記アレイ導波路の前記直線部が、下記の表１に示す（１）方位又は（２）方位に対して平行となっている
ことを特徴とする波長合分波器。
【表１】
2007133286.tif 000007
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかにおいて、
前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記第一の半導体クラッド層及び前記第二の半導体クラッド層が、ｎ型である
ことを特徴とする波長合分波器。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかにおいて、
前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路が、ハイメサ構造である
ことを特徴とする波長合分波器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光波長多重方式を利用した光通信、光交換、光情報処理等の光伝送システムに適用される波長合分波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、大容量の通信を実現するため、異なる光波長（周波数）を有する複数の光信号を一本の光ファイバに多重化して伝送する波長多重光通信ネットワーク技術の研究開発が盛んに行われている。波長多重光通信ネットワークにおいて、異なる波長（周波数）を有する複数の光信号の合波（多重化）や分波を行う波長合分波器は、欠かせない存在となっている。
【０００３】
上記波長合分波器としては、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）を利用したものが代表的に挙げられる。このアレイ導波路格子は、図１０に示すように、入力導波路９１０、スラブ導波路９２０，９４０、アレイ導波路９３０、出力導波路９５０等を備えている（詳しくは、下記の非特許文献１等参照）。このようなアレイ導波路格子は、現在、低損失で偏波依存性のないものが石英系材料により実用化されて、波長合分波器９００等として一般に広く利用されている。
【０００４】
また、最近は、半導体系材料を使用したものが活発に研究開発され始めている。これは、半導体系材料を用いると、光導波路の比屈折率差が高く、小さな曲げ半径で導波路を曲げることができるので、非常に小型にできることや、ＬＤやＰＤなど他の半導体光デバイスとのモノリシック集積が可能であり、将来必要となる多機能光回路をワンチップで実現できるという大きなメリットがあるためである。
【０００５】
【非特許文献１】先端光エレクトロニクスシリーズ８，光集積デバイス，小林功郎著，共立出版株式会社
【非特許文献２】M.Kohtoku et al.,“Polarization-independent InP arrayed waveguide grating filter using deep ridge waveguide structure”,CLEO/Pacific Rim'97,pp.284-285,1997
【非特許文献３】M.K.Smit,“PHASAR-based WDM devices：Principles,design and applications”,IEEE Journal of selected topics in quantum electronics,vol.２,No.２,pp.236-250,1996
【非特許文献４】J.G.Mendoza-Alvarez,“Analysis of depletion edge translation lightwave modulators”,J.of Lightwave Technology,vol.６,pp.793-808,1988
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
波長合分波器においては、重要な特性の一つとして、偏波依存性が無い、すなわち、ＴＥ波とＴＭ波とでフィルタ特性が変わらないことが挙げられる。しかしながら、波長合分波器に半導体系材料を用いると、偏波依存性の制御が難しくなってしまい、歩留まりを低下させるという問題があった。この理由を以下に説明する。
【０００７】
アレイ導波路格子においては、透過特性のピーク波長を下記の式（１）で表わすことができる。なお、λはピーク波長、ｎeqは等価屈折率、ΔＬは隣り合うアレイ導波路の長さの差、ｍは回折次数である。
【０００８】
λ＝ΔＬ・ｎeq／ｍ・・・（１）
【０００９】
つまり、アレイ導波路格子は、上記式（１）から明らかなように、偏波間で等価屈折率ｎeqを等しくしなければ、偏波無依存化を図ることができないのである。このような偏波無依存化を図るには、例えば、導波路の構造を水平方向と垂直方向とで同一にする、すなわち、単純には、正方形のコア層を埋め込む構造が考えられる。
【００１０】
しかしながら、一般に、半導体の製造プロセスにおいて、コア層は、厚さをエピタキシャル成長によって数十Å単位で精密に制御することができるものの、幅をドライエッチング等によって制御するため、１０-1μm単位での加工誤差を避けることができない。この導波路の幅の加工誤差によって偏波依存性を招いてしまい、歩留まりを低下させてしまうのである。
【００１１】
また、例えば、上記非特許文献２等では、導波路の構造が水平方向と垂直方向とで非対称であっても、偏波間で等価屈折率を同じにする手段が提案されている。具体的には、バンドギャップ波長が１．０５μｍであると共に、厚さが０．５μｍであるＩｎＧａＡｓＰからなるコア層と、当該コア層を上下に挟むＩｎＰからなるクラッド層を有するハイメサの導波路の構造であって、この導波路の幅が２．６５μｍであると、偏波無依存になることが記載されている。
【００１２】
このような導波路の構造においては、導波路の幅に対する偏波間の等価屈折率差の変化が緩やかであり、比較的広い作製トレランスを有しているものの、この作製トレランスが、偏波間での透過特性のピーク波長のずれをどこまで許容するかによって決まることから、より完全な偏波無依存を実現するには、導波路の幅を厳密に制御する必要が依然としてあった。
【００１３】
また、例えば、上記非特許文献３等では、偏波間の分散を補償する導波路をアレイ導波路上に挿入する方法や偏波スプリッタを用いること等が提案されている。しかしながら、上記非特許文献３等に記載されている各種手段は、いずれも高度な作製精度が要求されるものであった。
【００１４】
さらに、上述したすべての手段においては、作製した段階で偏波依存性の有無が決まってしまうため、作製後に偏波依存性があった場合に、その補正、いわゆるトリミングすることができなかった。
【００１５】
本発明は、このような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、半導体系材料を用いた波長合分波器において、製造プロセス時のエラーや加工誤差により生じた偏波依存性を光伝搬損失の増大等の特性劣化を伴うことなく補償できるようにすることによって、歩留まりを著しく向上させることができるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る波長合分波器は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられる第一の半導体クラッド層と、前記第一の半導体クラッド層上に設けられるノンドープの半導体コア層と、前記半導体コア層上に設けられる第二の半導体クラッド層と、前記第一の半導体クラッド層と前記半導体コア層との間及び前記第二の半導体クラッド層と前記半導体コア層との間のうちの少なくとも一方の間に設けられる半絶縁性の半導体からなる半絶縁層とを有するアレイ導波路を複数備えるアレイ導波路格子と、前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記半導体コア層におけるＴＭモードに対する屈折率を変化させることなくＴＥモードに対する屈折率を変化させるように当該アレイ導波路にそれぞれ電界を印加する電界印加手段とを備えていることを特徴とする。
【００１７】
第二番目の発明に係る波長合分波器は、第一番目の発明において、前記電界印加手段が、前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記半絶縁層上に位置するように当該アレイ導波路上に配設されて電圧を印加される第一の電極と、前記アレイ導波路格子の前記第一の半導体クラッド層又は前記半導体基板に設けられて接地する第二の電極とを備え、前記第一の電極が、前記アレイ導波路格子の複数の前記アレイ導波路の間を連絡するように当該アレイ導波路の間にわたって配設されると共に、当該アレイ導波路の軸方向の長さを当該アレイ導波路の配列方向一方側よりも他方側ほど長くするように形成されていることを特徴とする。
【００１８】
第三番目の発明に係る波長合分波器は、第一番目の発明において、前記電界印加手段が、前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記半絶縁層上に位置するように当該アレイ導波路上に配設されて電圧を印加される第一の電極と、前記アレイ導波路格子の前記第一の半導体クラッド層又は前記半導体基板に設けられて接地する第二の電極とを備え、前記第一の電極が、前記アレイ導波路格子の複数の前記アレイ導波路の間を断続させるように当該アレイ導波路にそれぞれ配設されると共に、当該アレイ導波路の軸方向の長さがそれぞれ等しくなっていることを特徴とする。
【００１９】
第四番目の発明に係る波長合分波器は、第二番目又は第三番目の発明において、前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路が、軸方向に直線状をなす直線部を有し、前記第一の電極が、前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記直線部上に配設されていることを特徴とする。
【００２０】
第五番目の発明に係る波長合分波器は、第四番目の発明において、前記アレイ導波路格子の前記半導体基板が、（１００）面方位を有すると共に、前記アレイ導波路の前記直線部が、下記の表１に示す（１）方位又は（２）方位に対して平行となっていることを特徴とする。
【表１】
2007133286.tif 000003
【００２１】
第六番目の発明に係る波長合分波器は、第一番目から第五番目の発明のいずれかにおいて、前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路の前記第一の半導体クラッド層及び前記第二の半導体クラッド層が、ｎ型であることを特徴とする。
【００２２】
第七番目の発明に係る波長合分波器は、第一番目から第六番目の発明のいずれかにおいて、前記アレイ導波路格子の前記アレイ導波路が、ハイメサ構造であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る波長合分波器によれば、偏波依存性のトリミング機構を備えるので、製造プロセス時のエラーや加工誤差により生じた偏波依存性を光伝搬損失の増大等の特性劣化を伴うことなく補償することができ、歩留まりを著しく向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
〈概要〉
アレイ導波路格子における偏波間での透過特性のピーク波長のずれ、すなわち、偏波依存性は、前述した式（１）から明らかなように、偏波間で等価屈折率が異なるために発生するものである。例えば、０．０００１の等価屈折率差の場合、０．０８ｎｍ（１０ＧＨｚ）程度のピーク波長のずれが生じてしまう。そこで、本発明では、アレイ導波路格子に偏波間の等価屈折率差を作製後に調整できる機構を設けることにより、偏波依存性を補償できるようにしたのである。
【００２５】
ところで、屈折率を変化させることができる手段としては、一次の電気光学効果であるポッケルス効果、フランツ・ケルディシュ効果、多重量子井戸構造で見られる量子閉じ込めシュタルク（ＱＣＳＥ）効果、電流注入等の半導体中のキャリアの密度の変化によるプラズマ効果、温度変化等を挙げることができる。
【００２６】
ここで、ポッケルス効果以外は、屈折率変化の偏波依存性が無いか小さいので、前記式（１）により、屈折率の変化に伴って透過特性のピーク波長を変化させることができるものの、両偏波とも同時に同方向に波長シフトしてしまうため、偏波依存性の補償に適切でない。さらに、プラズマ効果は、キャリアの密度を増やすと、自由キャリアの吸収を伴ってしまうため、光伝搬の損失が増加してしまうという問題もある。
【００２７】
他方、ポッケルス効果は、屈折率変化の偏波依存性が大きい。例えば、前記非特許文献４に記載されているように、基板と垂直な方向（［１００］方位）の電界Ｅb（＝Ｖb／コア厚）を掛けると、ＴＥモードに対する屈折率変化が下記の式（２）で表わされる。なお、ｎ0は材料の屈折率、γ41はポッケルス定数であり、負の値である。
【００２８】
Δn0＝±（n3／２）γ41Ｅb・・・（２）
【００２９】
なお、電子出願システムにおける書類記載方式の制約上、各方位を下記の表２に示すように表記することとする。
【００３０】
【表２】
2007133286.tif 000004
【００３１】
そして、＋符号は［０ＡＡ］方位に平行に光が伝搬する場合、−符号は［０１Ａ］方位に平行に光が伝搬する場合である。このため、電界を印加するアレイ導波路部分を［０ＡＡ］方位に平行に配すると、電界の印加によって、屈折率変化が負となる一方、電界を印加するアレイ導波路部分を［０１Ａ］方位に平行に配すると、電界の印加によって、屈折率変化が逆に正となるものの、ＴＭモードに対する屈折率変化を生じることがない。
【００３２】
そこで、本発明では、このポッケルス効果を利用して、ＴＥモードに対する等価屈折率のみを適当に変化させることにより、偏波依存性を効率よく補償するようにしているのである。
【００３３】
なお、上述した説明では、（１００）基板の場合を例にしたが、（００１）基板等の場合であっても同様なことが成り立つ。つまり、（００１）基板の場合には、上記［１００］方位を［００１］方位、［０ＡＡ］方位を［１１０］方位、［０１Ａ］方位を［Ａ１０］方位に置き換えればよい。
【００３４】
〈第一番目の実施形態〉
本発明に係る波長合分波器の第一番目の実施形態を図１〜７に基づいて以下に説明する。図１は、波長合分波器の概略構成を表わす平面図、図２は、図１の波長合分波器の概略構成を表わす断面図、図３は、図１の波長合分波器の要部の概略構成を表わす断面図、図４は、図１の波長合分波器に電界を印加したときのバンドダイヤグラム、図５は、図１の波長合分波器の隣り合うアレイ導波路の相関関係説明図、図６は、アレイ導波路の幅と等価屈折率差との関係を表わすグラフ、図７は、アレイ導波路の等価屈折率変化と半導体コア層の屈折率変化との関係を表わすグラフである。
【００３５】
図１に示すように、ＩｎＰからなると共に（１００）面方位を有する半導体基板１０１上には、当該基板１０１の周縁端に一端側を位置させた複数の入力導波路１１０が形成されている。これら入力導波路１１０の他端側は、当該基板１０１上に形成されたスラブ導波路１２０の一端側にそれぞれ接続している。このスラブ導波路１２０の他端側には、［０ＡＡ］方位又は［０１Ａ］方位へ平行となる直線部１３０ａを曲線部１３０ｂの間に有するように当該基板１０１上に形成された複数のアレイ導波路１３０の一端側がそれぞれ接続している。
【００３６】
これらアレイ導波路１３０の他端側は、当該基板１０１上に形成されたスラブ導波路１４０の一端側にそれぞれ接続している。このスラブ導波路１４０の他端側には、当該基板１０１上に形成された複数の出力導波路１５０の一端側がそれぞれ接続しており、これら出力導波路１５０は、他端側が当該基板１０１の周縁端にそれぞれ位置している。
【００３７】
図２，３に示すように、上記各導波路１１０，１２０，１３０，１４０，１５０は、前記基板１０１上に、ｎ型のＩｎＰからなる第一の半導体クラッド層１０２が設けられ、当該クラッド層１０２上に、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる半導体コア層１０３（バンドギャップ波長１．０５μｍ、厚さ０．５μｍ）が設けられ、当該コア層１０３上に、半絶縁（ＳＩ）型のＩｎＰからなる半絶縁（ＳＩ）層１０４が設けられ、当該ＳＩ層１０４上に、ｎ型のＩｎＰからなる第二の半導体クラッド層１０５が設けられ、ハイメサ構造をそれぞれなしている。
【００３８】
このようにして構成されるアレイ導波路格子においては、図１，３に示すように、前記アレイ導波路１３０の前記直線部１３０ａ上の一部分に、電源に接続して電圧を印加される第一の電極１０６が当該アレイ導波路１３０の各前記直線部１３０ａの間を連絡するように当該アレイ導波路１３０の間にわたって配設されており、当該電極１０６は、当該アレイ導波路１３０の当該直線部１３０ａの軸方向の長さを当該アレイ導波路１３０の配列方向一方側（図１中、上方側）よりも配列方向他方側（図１中、下方側）ほど長くするように台形状に形成されている。
【００３９】
つまり、前記電極１０６は、複数配列された各アレイ導波路１３０において、各前記アレイ導波路１３０の長さに対応して前記直線部１３０ａの軸方向の長さが設定されているのである。
【００４０】
また、前記クラッド層１０２上には、接地する第二の電極１０７が設けられている。前記アレイ導波路１３０の前記直線部１３０ａの前記電極１０６の配設箇所と未配設箇所との間には、当該間を電気的に絶縁するように前記クラッド層１０５の一部をエッチング除去した分離溝１３０ｃがそれぞれ形成されている。
【００４１】
つまり、前記電源を作動させることにより、すべてのアレイ導波路１３０の前記電極１０６の配設部分の前記コア層１０３のみに同一の電界を効率よく印加することができるようになっているのである。なお、本実施形態では、前記電極１０６，１０７、前記電源等により、電界印加手段を構成している。
【００４２】
このような本実施形態に係る波長合分波器１００において、前記電源により、前記電極１０６に負のバイアスＶbを印加すると、図４に示すように、ＳＩ層１０４が電子ｅをブロックする層として作用するため、電流が流れず、前記コア層１０３に効率よく電界が掛かるようになる。このため、前記コア層１０３には、ＴＥモードに対して前記式（２）に示したようなポッケルス効果による屈折率変化が誘起されることになる。
【００４３】
ここで、図５に示すように、ｉ番目に位置する前記アレイ導波路１３０において、上部に前記電極１０６が位置する前記直線部１３０ａの長さをＬe,iとし、上部に前記電極１０６が位置しない前記直線部１３０ａ及び前記曲線部１３０ｂの長さをＬ0,iとし、ｉ＋１番目に位置する前記アレイ導波路１３０において、上部に前記電極１０６が位置する前記直線部１３０ａの長さをＬe,i+1とし、上部に前記電極１０６が位置しない前記直線部１３０ａ及び前記曲線部１３０ｂの長さをＬ0,i+1とし、さらに、上部に前記電極１０６が位置する前記直線部１３０ａにおける電界印加時のＴＥモードの等価屈折率をｎ1TEとし、上部に前記電極１０６が位置する前記直線部１３０ａにおける電界印加時のＴＭモードの等価屈折率をｎ1TMとし、上部に前記電極１０６が位置しない前記直線部１３０ａ及び前記曲線部１３０ｂにおけるＴＥモードの等価屈折率をｎ0TEとし、上部に前記電極１０６が位置しない前記直線部１３０ａ及び前記曲線部１３０ｂにおけるＴＭモードの等価屈折率をｎ0TMとすると、波長合分波器１００のＴＥモードの位相整合条件は、下記の一般式（３）で表わすことができ、波長合分波器１００のＴＭモードの位相整合条件は、下記の一般式（４）で表わすことができる。なお、上部に前記電極１０６が位置する前記直線部１３０ａは、当然のことながら、電界無印加時において、ＴＥモードの等価屈折率がｎ0TEであり、ＴＭモードの等価屈折率がｎ0TMである。
【００４４】
ΔＬe・ｎ1TE＋ΔＬ0・ｎ0TE＝ｍλ・・・（３）
ΔＬe・ｎ1TM＋ΔＬ0・ｎ0TM＝ｍλ・・・（４）
【００４５】
このとき、
ΔＬe＝Ｌe,i+1−Ｌe,i、
ΔＬ0＝Ｌ0,i+1−Ｌ0,i、
ΔＬe＋ΔＬ0＝ΔＬ（ただし、ΔＬ＞０）
であると共に、偏波無依存条件として式（３）の左辺と式（４）の左辺とが等しいとすると、下記の式（５）が得られる。
【００４６】
（ｎ1TE−ｎ1TM）／（ｎ0TE−ｎ0TM）＝−ΔＬ0／ΔＬe
＝１−（ΔＬ／ΔＬe）・・・（５）
【００４７】
また、上述したように、ポッケルス効果によるＴＭモードに対する屈折率変化が無く、前記コア層１０３のバンドギャップ波長（１．０５μｍ）が、光通信で一般的に用いられる波長帯（１．５５μｍ帯）から十分離れていることから、フランツ・ケルディシュ効果による屈折率変化が略ゼロと考えられるので、前記等価屈折率ｎ1TMと前記等価屈折率ｎ0TMとは等しいとすることができる。よって、ΔＬe＝αΔＬ（ただし、αは０以外の任意の実数）とすると、上記式（５）は、さらに下記の式（６）として表わすことができる。
【００４８】
ｎ1TE−ｎ0TE＝−（１／α）（ｎ0TE−ｎ0TM）・・・（６）
【００４９】
つまり、前記等価屈折率ｎ1TEが上記式（６）を満たすように、印加電圧Ｖbの大きさを調整することにより、偏波無依存化を実現することができるのである。
【００５０】
以下、より具体的に説明する。アレイ導波路１３０は、図６からわかるように、幅が２．６５μｍ付近になると、偏波無依存となり、幅が２．６５μｍ付近よりも広いと、ＴＥモードの等価屈折率がＴＭモードの等価屈折率より大きくなり、幅が２．６５μｍ付近よりも狭いと、ＴＥモードの等価屈折率がＴＭモードの等価屈折率より小さくなる。
【００５１】
ここで、アレイ導波路１３０の前記直線部１３０ａを［０ＡＡ］方位に平行に配した場合、前記式（２）より、負のバイアスＶbに対して、前記コア層１０３の屈折率変化が負となる。つまり、アレイ導波路１３０において、前記等価屈折率ｎ1TEが前記等価屈折率ｎ0TEよりも小さい関係であると（ｎ1TE＜ｎ0TE）、偏波依存性を補償することができるのである。
【００５２】
仮に、アレイ導波路１３０の幅を偏波無依存条件よりも若干広くなるように意図的に予め設定したとすると、図６からわかるように、前記等価屈折率ｎ0TEが前記等価屈折率ｎ0TMよりも大きくなり、前記式（６）の右辺が正になる。また、前記等価屈折率ｎ1TEが前記等価屈折率ｎ0TEよりも小さくなることから、前記式（６）の左辺が負となる。よって、前記式（６）の関係を成り立たせるように、α＞０とすることにより、偏波依存性を補償できる範囲内とすることができる。つまり、アレイ導波路１３０がΔＬずつ長くなるにしたがって、上部に前記電極１０６が位置する前記直線部１３０ａの長さをΔＬeずつ長くすればよいのである。
【００５３】
簡単な例を挙げて説明すると、α＝１、すなわち、ΔＬe＝ΔＬのときには、ｎ1TE＝ｎ0TM（＜ｎ0TE）となるので、ＴＥモードの等価屈折率をＴＭモードの等価屈折率と等しくなるように調整（屈折率を下げる）すればよいのである。
【００５４】
また、アレイ導波路１３０の幅を偏波無依存条件よりも若干細くなるように意図的に予め設定したとすると、図６からわかるように、前記等価屈折率ｎ0TEが前記等価屈折率ｎ0TMよりも小さくなり、前記式（６）の右辺が負になる。また、前記等価屈折率ｎ1TEが前記等価屈折率ｎ0TEよりも小さくなることから、前記式（６）の左辺が負となる。よって、前記式（６）の関係を成り立たせるように、α＜０とすることにより、偏波依存性を補償できる範囲内とすることができる。
【００５５】
他方、アレイ導波路１３０の前記直線部１３０ａを［０１Ａ］方位に平行に配した場合、前記式（２）より、負のバイアスＶbに対して、前記コア層１０３の屈折率変化が正となる。この場合でも、アレイ導波路１３０の前記直線部１３０ａを［０ＡＡ］方位に平行に配した上述の場合の理論と同様にして補償することができる。この場合と上述した場合とでは、αの符号が逆になることが違うだけである。なお、前記式（６）からわかるように、αを大きくすると、屈折率変化を小さくすることができる、すなわち、印加電界を小さくすることができる。
【００５６】
以上の条件をまとめると、下記の表３の通りとなる。
【００５７】
【表３】
2007133286.tif 000005
【００５８】
引き続いて、簡単な検証を述べる。導波路の幅の加工誤差は、１０-1μｍ単位程度であることはすでに述べた。この大きさは、本発明の導波路構造の等価屈折率の変化量に換算すると、０．０００１５程度である（図６参照）。つまり、等価屈折率を１０-4程度変化させることにより、偏波無依存化を図ることができるのである。
【００５９】
さて、ＩｎＧａＡｓＰのポッケルス定数は、正確にはわからないが、同様な材料のＧａＡｓのポッケルス定数が−１．４×１０-12ｍ／Ｖ程度であることから、ＩｎＧａＡｓＰでも同程度の値と推定される。ＩｎＧａＡｓＰのコア層は、屈折率が３．２５程度であるので、前記式（２）より、２Ｖ程度の電圧に対して、１０-4程度の屈折率変化を誘起することが可能となる。
【００６０】
また、図７からわかるように、前記アレイ導波路１３０の等価屈折率変化は、前記コア層１０３の屈折率変化の大体半分程度の影響を受けているといえる。よって、前記アレイ導波路１３０の等価屈折率を１０-4程度変化させるには、４Ｖ程度の電圧を掛ければよく、前記ＳＩ層１０４におけるＦｅ等のドーピング密度や厚さを適切に設定することにより、耐圧を十分に有することができるので、何等問題なく対応することができる。
【００６１】
このように、本実施形態に係る波長合分波器１００においては、ｐ型の層を用いていないため、光ロスの増大も招かず、作製後でも電圧印加によって偏波依存性を効率よく補償することができる。したがって、本実施形態に係る波長合分波器１００によれば、半導体材料であっても、偏波無依存化を簡単に実現することができるので、歩留まりを向上させることができ、低コスト化を図ることができる。
【００６２】
〈第二番目の実施形態〉
本発明に係る波長合分波器の第一番目の実施形態を図８，９に基づいて以下に説明する。図８は、波長合分波器の概略構成を表わす平面図、図９は、図８の波長合分波器の隣り合うアレイ導波路の相関関係説明図である。なお、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を本実施形態で用いることにより、前述した第一番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００６３】
図８に示すように、前記アレイ導波路１３０の各前記直線部１３０ａ上の一部分には、電源に接続して電圧を印加される第一の電極２０６が各アレイ導波路１３０の間を断続させるようにそれぞれ配設されており、当該電極２０６は、当該アレイ導波路１３０の当該直線部１３０ａの軸方向の長さがそれぞれ等しくなっている。
【００６４】
つまり、前述した第一番目の実施形態に係る波長合分波器１００においては、前記アレイ導波路１３０の各前記直線部１３０ａの間を連絡するように当該アレイ導波路１３０の間にわたって配設すると共に、当該アレイ導波路１３０の当該直線部１３０ａの軸方向の長さを当該アレイ導波路１３０の配列方向一方側よりも配列方向他方側ほど長くするように台形状に形成された単一の第一の電極１０６を適用して、前記直線部１３０ａの間を電気的に短絡して同一の電界を印加できるようにしが、本実施形態に係る波長合分波器２００では、各アレイ導波路１３０の間を断続させるようにそれぞれ配設されると共に、当該アレイ導波路１３０の当該直線部１３０ａの軸方向の長さがそれぞれ等しい複数の第一の電極２０６を適用して、各前記直線部１３０ａの間でそれぞれ電気的に分離してそれぞれ独立の電界を印加できるようにしたのである。
【００６５】
ここで、図９に示すように、上部に前記電極２０６が位置する前記アレイ導波路１３０の前記直線部１３０ａの長さをＬeとし、上部に前記電極２０６が位置しない前記直線部１３０ａ及び前記曲線部１３０ｂにおけるＴＥモードの等価屈折率をｎ0TEとし、上部に前記電極２０６が位置しない前記直線部１３０ａ及び前記曲線部１３０ｂにおけるＴＭモードの等価屈折率をｎ0TMとすると共に、ｉ番目に位置する前記アレイ導波路１３０において、上部に前記電極２０６が位置しない前記直線部１３０ａ及び前記曲線部１３０ｂの長さをＬ0,iとし、上部に前記電極２０６が位置する前記直線部１３０ａにおける電圧Ｖb,i印加時のＴＥモードの等価屈折率をｎ1TEとし、上部に前記電極２０６が位置する前記直線部１３０ａにおける電圧Ｖb,i印加時のＴＭモードの等価屈折率をｎ1TMとし、ｉ＋１番目に位置する前記アレイ導波路１３０において、上部に前記電極２０６が位置しない前記直線部１３０ａ及び前記曲線部１３０ｂの長さをＬ0,i+1とし、上部に前記電極２０６が位置する前記直線部１３０ａにおける電圧Ｖb,i+1印加時のＴＥモードの等価屈折率をｎi+1TEとし、上部に前記電極２０６が位置する前記直線部１３０ａにおける電圧Ｖb,i+1印加時のＴＭモードの等価屈折率をｎi+1TMとすると（ただし、Ｌ0,i+1−Ｌ0,i＝ΔＬ（＞０）とする）、波長合分波器（アレイ導波路格子）２００のＴＥモードの位相整合条件は、下記の一般式（７）で表わすことができ、波長合分波器（アレイ導波路格子）２００のＴＭモードの位相整合条件は、下記の一般式（８）で表わすことができる。なお、上部に前記電極２０６が位置する前記直線部１３０ａは、当然のことながら、電界無印加時において、ＴＥモードの等価屈折率がｎ0TEであり、ＴＭモードの等価屈折率がｎ0TMである。
【００６６】
Ｌe・（ｎi+1TE−ｎiTE）＋ΔＬ・ｎ0TE＝ｍλ・・・（７）
Ｌe・（ｎi+1TM−ｎiTM）＋ΔＬ・ｎ0TM＝ｍλ・・・（８）
【００６７】
よって、偏波無依存条件として式（７）の左辺と式（８）の左辺とが等しいとすると、下記の式（９）が得られる。
【００６８】
｛（ｎi+1TE−ｎiTE）−（ｎi+1TM−ｎiTM）｝／（ｎ0TE−ｎ0TM）
＝−ΔＬ／Ｌe・・（９）
【００６９】
また、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、ＴＭモードの屈折率変化が無く、ｎi+1TM＝ｎiTMであるため、上記式（９）は、さらに下記の式（１０）として表わすことができる。
【００７０】
ｎi+1TE−ｎiTE＝−（ΔＬ／Ｌe）（ｎ0TE−ｎ0TM）
＝一定・・・（１０）
【００７１】
つまり、ｉ＋１番目のアレイ導波路１３０に対する印加電圧Ｖb,i+1（＜０）をｉ番目のアレイ導波路１３０の印加電圧Ｖb,i（＜０）に対して、ある一定値ΔＶb＝Ｖb,i+1−Ｖb,iとなるように調整することにより、偏波無依存化を実現することができるのである。
【００７２】
以下、より具体的に説明する。アレイ導波路１３０の幅に関係なく偏波無依存とするには、アレイ導波路１３０の直線部１３０ａを［０ＡＡ］方位に平行に配した場合、前記式（２）より、負のバイアスに対して、前記コア層１０３の屈折率変化が負となる。
【００７３】
つまり、例えば、作製時のエラー等により、アレイ導波路１３０の幅が偏波無依存条件よりも広くなってしまった場合、前記等価屈折率ｎ0TEが前記等価屈折率ｎ0TMよりも大きくなる（ｎ0TE＞ｎ0TM）ことから（前記図６参照）、前記式（１０）の右辺が負となるので、前記等価屈折率ｎiTEが前記等価屈折率ｎi+1TEよりも大きくなるように（ｎi+1TE＜ｎiTE）印加電圧を調整すればよいのである。すなわち、アレイ導波路１３０がΔＬずつ長くなるにしたがって、バイアス値を大きくすればよいのである（｜Ｖb,i+1｜＞｜Ｖb,i｜、ΔＶb＜０）。
【００７４】
また、アレイ導波路１３０の幅が偏波無依存条件よりも細くなってしまった場合、前記等価屈折率ｎ0TEが前記等価屈折率ｎ0TMよりも小さくなる（ｎ0TE＜ｎ0TM）ため（前記図６参照）、前記等価屈折率ｎiTEが前記等価屈折率ｎi+1TEよりも小さくなるように（ｎi+1TE＞ｎiTE）印加電圧を調整すればよい。すなわち、アレイ導波路１３０がΔＬずつ長くなるにしたがって、バイアス値を小さくすればよいのである（｜Ｖb,i+1｜＜｜Ｖb,i｜、ΔＶb＞０）。
【００７５】
他方、アレイ導波路１３０の前記直線部１３０ａを［０１Ａ］方位に平行に配した場合、前記式（２）より、負のバイアスに対して、前記コア層１０３の屈折率変化が正となる。この場合でも、アレイ導波路１３０の前記直線部１３０ａを［０ＡＡ］方位に平行に配した上述の場合の理論と同様にして補償することができる。この場合と上述した場合とでは、偏波無依存条件からのアレイ導波路１３０の幅の実際のずれに対して、ΔＶbの符号が逆になることが違うだけである。なお、前記式（１０）からわかるように、Ｌe大きくすると、等価屈折率変化ｎi+1TE−ｎiTEを小さくすることができる、すなわち、ΔＶbの絶対値を小さくすることができる。
【００７６】
以上の条件をまとめると、下記の表４の通りとなる。
【００７７】
【表４】
2007133286.tif 000006
【００７８】
このように、本実施形態に係る波長合分波器２００においてはｐ型の層を用いていないため、光ロスの増大も招かず、作製後でも電圧印加によって偏波依存性を効率よく補償することができる。したがって、本実施形態に係る波長合分波器２００によれば、前述した第一番目の実施形態に係る波長合分波器１００の場合と同様に、半導体材料であっても、偏波無依存化を簡単に実現することができるので、歩留まりを向上させることができ、低コスト化を図ることができるのはもちろんのこと、偏波無依存条件から導波路の幅が実際にどちらかにずれた場合であっても、ΔＶbの符号を変えることにより、容易に補償することができる。
【００７９】
〈他の実施形態〉
なお、前述した第一，二番目の実施形態では、前記コア層１０３の上層をｎ型のＩｎＰとしたが、他の実施形態として、例えば、前記コア層１０３の上層をｐ型のＩｎＰとして、いわゆるｐｉｎ構造としても、原理的には、本実施形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。しかしながら、ｐ型の層は、価電子帯バンド間遷移に起因する光吸収が大きく、光フィールドがかかると、伝搬損失の増大化を招くため、本実施形態に係るようなアレイ導波路格子等の比較的大きなデバイスの場合にはあまり好ましくない。さらに、光吸収を減らすために、コア層（ｉ層）を厚くすると、電界強度が弱まってしまい、効率が悪くなるという問題も生じることから、できれば避けた方が好ましい。
【００８０】
また、前述した第一，二番目の実施形態では、前記クラッド層１０５にｎ型のＩｎＰを使用したが、他の実施形態として、例えば、当該クラッド層１０５に光フィールドがかからない程にＳＩ層１０４を厚くすれば、当該クラッド層１０５にｐ型のＩｎＰを使用することも可能である。
【００８１】
また、前述した第一，二番目の実施形態では、前記コア層１０３と前記クラッド層（第二の半導体クラッド層）１０５との間に前記ＳＩ層１０４を設けるようにしたが、他の実施形態として、例えば、半導体コア層と第一の半導体クラッド層との間にＳＩ層を設けるようにしても、本実施形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。ただし、この場合には、前述した第一，二番目の実施形態の場合と印加電界の向きを逆にする必要がある。また、半導体コア層と第一の半導体クラッド層との間及び半導体コア層と第二の半導体クラッド層との間の両方にＳＩ層をそれぞれ設けることも可能である。
【００８２】
また、前述した第一，二番目の実施形態では、前記コア層１０３をバルクとした場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、前記コア層１０３を量子井戸構造とすることも可能である。
【００８３】
また、前述した第一，二番目の実施形態では、前記電極１０６，１０７と前記層１０２，１０５とを直接コンタクトさせるようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記電極１０６，１０７と前記層１０２，１０５との間にＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰ等からなるコンタクト層を設けて、コンタクト抵抗を下げるようにすることも可能である。
【００８４】
また、前述した第一，二番目の実施形態では、接地する第二の電極１０７を前記第一の半導体クラッド層１０２上に設けるようにしたが、他の実施形態として、例えば、半導体基板にｎ型を使用している場合には、接地させる第二の電極を当該半導体基板の裏面に設けることも可能である。
【００８５】
また、前述した第一，二番目の実施形態では、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の半導体材料を使用した場合について説明したが、本発明は、このような材料に限定されるものではなく、その他の半導体材料であっても、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明に係る波長合分波器は、製造プロセス時のエラーや加工誤差により生じた偏波依存性を光伝搬損失の増大等の特性劣化を伴うことなく補償することができるので、光波長多重方式を利用した光通信、光交換、光情報処理等の光伝送システムに適用すると、極めて有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明に係る波長合分波器の第一番目の実施形態の概略構成を表わす平面図である。
【図２】図１の波長合分波器の概略構成を表わす断面図である。
【図３】図１の波長合分波器の要部の概略構成を表わす断面図である。
【図４】図１の波長合分波器に電界を印加したときのバンドダイヤグラムである。
【図５】図１の波長合分波器の隣り合うアレイ導波路の相関関係説明図である。
【図６】アレイ導波路の幅と等価屈折率差との関係を表わすグラフである。
【図７】アレイ導波路の等価屈折率変化と半導体コア層の屈折率変化との関係を表わすグラフである。
【図８】本発明に係る波長合分波器の第二番目の実施形態の概略構成を表わす平面図である。
【図９】図１の波長合分波器の隣り合うアレイ導波路の相関関係説明図である。
【図１０】従来の波長合分波器の一例の概略構成を表わす平面図である。
【符号の説明】
【００８８】
１００，２００  波長合分波器
１０１  半導体基板
１０２  第一の半導体クラッド層
１０３  半導体コア層
１０４  半絶縁（ＳＩ）層
１０５  第二の半導体クラッド層
１０６，２０６  第一の電極
１０７  第二の電極
１１０  入力導波路
１２０，１４０  スラブ導波路
１３０  アレイ導波路
１３０ａ  直線部
１３０ｂ  曲線部
１３０ｃ  分離溝
１５０  出力導波路
【図１】
2007133286.tif 000008
【図２】
2007133286.tif 000009
【図３】
2007133286.tif 000010
【図４】
2007133286.tif 000011
【図５】
2007133286.tif 000012
【図６】
2007133286.tif 000013
【図７】
2007133286.tif 000014
【図８】
2007133286.tif 000015
【図９】
2007133286.tif 000016
【図１０】
2007133286.tif 000017