(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長多重光が２つの反射面の間を多重反射して伝搬すべく構成された第１の導波路列と、前記２つの反射面のうちのいずれか一方の端もしくは反射面間の前記第１の導波路列に結合した第２の導波路列と、該第２の導波路列に結合した合波器と、該合波器に結合した第３の導波路列を備え、
前記第１の導波路列は、前記第２の導波路列を構成する各導波路との結合までの導波路長差に伴う位相差をもって前記波長多重光を前記第２の導波路列に入射させ、
前記合波器は、前記第２の導波路列を構成する各導波路からそれぞれ出射する前記波長多重光の位相差に基づく干渉により各波長の光を分離し、前記第３の導波路列に入射させることを特徴とする波長選択フィルタ素子。
【請求項２】
前記第１の導波路列もしくは前記第２の導波路列を構成する各導波路を伝搬する波長多重光の位相もしくは振幅を独立に制御する機構を有することを特徴とする請求項１に記載の波長選択フィルタ素子。
【請求項３】
波長多重光が２つの反射面の間を多重反射して伝搬すべく構成された第１の導波路列と、前記２つの反射面のうちのいずれか一方の端もしくは反射面間の前記第１の導波路列に結合した第２の導波路列と、該第２の導波路列に結合した合波器と、該合波器に結合した第３の導波路列を備え、前記第１の導波路列は、前記第２の導波路列を構成する各導波路との結合までの導波路長差に伴う位相差をもって前記波長多重光を前記第２の導波路列に入射させ、前記合波器は、前記第２の導波路列を構成する各導波路からそれぞれ出射する前記波長多重光の位相差に基づく干渉により各波長の光を分離し、前記第３の導波路列に入射させる波長選択フィルタ素子と、前記第１の導波路列の入力端に結合された発光素子及び前記第３の導波路列の出力端に結合された受光素子の少なくとも一方とを同一基板上に形成したことを特徴とする光集積回路。
【請求項４】
前記第１の導波路列もしくは前記第２の導波路列を構成する各導波路を伝搬する波長多重光の位相もしくは振幅を独立に制御する機構を有することを特徴とする請求項３に記載の光集積回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長多重光ファイバ通信用において任意の波長を分波する波長選択フィルタ素子に係り、特にアレー導波路素子を用いた波長選択フィルタ素子及びこの波長選択フィルタ素子を搭載した光集積回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年光ファイバ通信において一層の大容量化への需要が高まっている。そのため複数の波長を搬送波に用いた波長多重通信方式の導入が順次進められている。波長多重通信方式は、大容量化のみならず、必要な所に必要な容量のネットワークを拡充するというシステムの拡張性・柔軟性に対しても大きな効果を有している。将来高度ネットワーク化に対応するために、多重波長の一層の高密度化が不可欠となるが、このような高密度波長多重通信方式を実現する上で高性能狭帯域波長選択フィルタが極めて重要である。それを実現する従来例として、図１４に示すような長さがほぼ一定長ずつ異なる複数のアレー導波路を用いたアレー導波路型グレーティング（ＡＷＧ）素子が注目されている。このＡＷＧ素子は、１本の入力導波路、例えば入力導波路２２１からの入力光を入力側スラブ型スターカプラー２０１により拡散させ、前方に配置したアレー導波路２３１，２３２，…，２３（ｎ−１），２３ｎに入力させる。アレー導波路２３１，２３２，…，２３（ｎ−１），２３ｎはそれぞれ導波路長が一定の長さΔＬだけ異なっており、それぞれの出射端では導波路長差に伴う遅延が与えられている。そしてアレー導波路２３１，２３２，…，２３（ｎ−１），２３ｎの出力端を再度別の出力側スターカプラー２０２により合波することにより、上記遅延に伴う位相差に基づき干渉し合い、出力側スターカプラーの出力端において出力の波長依存性、すなわち分散特性ｄｘ／ｄλを示す。この線分散に基づき、所望の出力導波路２４１，２４２，…より所望の波長の出力を得ることができる。ＡＷＧ素子は導波路長差ΔＬに比例して回折次数ｍが大きくとれることから、線分散も大きく取ることができ、従って、ｎ×ｎの多チャンネル波長分離動作においても低クロストークで動作が可能であるという特徴を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところでＡＷＧ素子の波長選択性などの波長特性はアレー導波路長差ΔＬや導波路本数、スターカプラー長などに依存する。これまでサブ・ナノメータ（ｎｍ）のチャンネル間隔で３２チャンネルの多重・分離用ＡＷＧ素子として、ガラス導波路を用いたもので導波路長差は約６０μｍ、導波路本数は１２０が報告されているが、その全体のチップサイズは４０ｍｍ角と大きなものになる。このように全体のチップサイズが大きくなるのは、図１４に示すような構造の必然的な結果である。すなわち、図１４に示すような構造においては、１００本ものアレー導波路を、過剰損失を避けるためにゆったりと基板面上に配置する必要があるからである。今後一層の高集積化が望まれる光集積回路において、アレー導波路がこのように大きな面積を必要とすることは実用上大きな問題である。
【０００４】
本発明は前記の従来技術の問題点を解決するためになされたもので、コンパクトで高集積化に向いたアレー導波路素子を用いた波長選択フィルタ素子を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明の他の目的は、アレー導波路素子を用いた波長選択フィルタ素子を搭載したコンパクトで高集積化された光集積回路を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴は、波長多重光が２つの反射面の間を多重反射して伝搬すべく構成された第１の導波路列と、前記２つの反射面のうちのいずれか一方の端もしくは反射面間の前記第１の導波路列に結合した第２の導波路列と、該第２の導波路列に結合した合波器と、該合波器に結合した第３の導波路列を備え、前記第１の導波路列は、前記第２の導波路列を構成する各導波路との結合までの導波路長差に伴う位相差をもって前記波長多重光を前記第２の導波路列に入射させ、前記合波器は、前記第２の導波路列を構成する各導波路からそれぞれ出射する前記波長多重光の位相差に基づく干渉により各波長の光を分離し、前記第３の導波路列に入射させることを特徴とする波長選択フィルタ素子であることである。ここで、合波器としてはスターカプラー等が代表的に使用できる。具体的には、第１の導波路列は、２つの反射面の間を連続的に折れ曲がりジグザグに構成しても良く、このジグザグ形状にさらに折れ曲がり部や湾曲部を形成しても良い。「各反射面端から結合した」とは、劈開面等の反射面から透過してきた出力光と結合する意であり、「反射面間の導波路列に結合した」とは、第1の導波路列の左右若しくは上下に第２の導波路列を隣接して配置し２つの導波路間のカップリングにより出力光を第２の導波路列に取り出す意である。
【０００７】
本発明の第１の特徴においては、波長多重光を２つの反射面の間を斜めに多重反射させることにより光信号出力に一定の光路長差を与え、位相差を生じさせている。したがって、本発明の第１の特徴によれば、位相差が制御されたアレー出力光が簡単な構造で得られる。このように多重反射を利用することで、長手方向は基本的には導波路幅オーダーの距離に導波路本数を乗じたオーダーの寸法、またその横手方向はデバイス特性に必要な位相差に対応した導波路長の寸法ですむため、極めてコンパクトなアレー導波路を実現することが出来る。
【０００９】
また、本発明の第１の特徴によれば、位相差が制御されたアレー出力光が、２つの反射面の間を斜めに多重反射させることにより光路長差を与えるという簡単な構造で得られる。従って、長手方向は基本的には導波路幅オーダーの距離に導波路本数を乗じたオーダーの寸法、またその横手方向はデバイス特性に必要な位相差に対応した導波路長の寸法ですむため、極めてコンパクトなアレー導波路を実現出来る。このため、スターカプラー等の合波器を含めても極めて小型化が可能となる。従って、このコンパクト性ゆえ半導体導波路に容易に適用ができ、アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子が簡単に実現できる。
【００１０】
本発明の第１の特徴において、第１の導波路列もしくは第２の導波路列を構成する各導波路を伝搬する光の位相もしくは振幅を独立に制御する機構を追加すれば、高機能波長選択フィルタ素子を実現することができる。導波路の位相・振幅を制御するには、半導体固有の大きな屈折率変化や光増幅機能を利用すればよい。
【００１１】
本発明の第２の特徴は、波長多重光が２つの反射面の間を多重反射して伝搬すべく構成された第１の導波路列と、前記２つの反射面のうちのいずれか一方の端もしくは反射面間の前記第１の導波路列に結合した第２の導波路列と、該第２の導波路列に結合した合波器と、該合波器に結合した第３の導波路列を備え、前記第１の導波路列は、前記第２の導波路列を構成する各導波路との結合までの導波路長差に伴う位相差をもって前記波長多重光を前記第２の導波路列に入射させ、前記合波器は、前記第２の導波路列を構成する各導波路からそれぞれ出射する前記波長多重光の位相差に基づく干渉により各波長の光を分離し、前記第３の導波路列に入射させる波長選択フィルタ素子と、前記第１の導波路列の入力端に結合された発光素子及び前記第３の導波路列の出力端に結合された受光素子の少なくとも一方とを同一基板上に形成したことを特徴とする光集積回路であることである。
【００１２】
本発明の第２の特徴においては、２つの反射面の間を斜めに多重反射させることにより光信号出力に位相差を生じさせ所望の波長の光を選択できる。多重反射を利用するためには、長手方向は導波路幅オーダーの距離に導波路本数を乗じたオーダーの寸法、またその横手方向は光集積回路の特性に必要な位相差に対応した導波路長の寸法でよい。従って、極めてコンパクトな光集積回路を実現することが出来る。
【００１４】
また、本発明の第２の特徴においては、２つの反射面の間を斜めに多重反射させることにより光信号出力に位相差を生じさせ、所望の波長の光を選択できる。多重反射を利用しているので、長手方向は導波路幅オーダーの距離に導波路本数を乗じたオーダーの寸法、またその横手方向は光集積回路の特性に必要な位相差に対応した導波路長の寸法でよい。このため、スターカプラー等の合波器を搭載した極めて小型化された光集積回路が可能となる。さらに、このコンパクト性ゆえ半導体基板上に集積化も容易であり、アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子を簡単、且つ高密度に集積化できる。
本発明の第２の特徴においても、第１の導波路列もしくは第２の導波路列を構成する各導波路を伝搬する光の位相もしくは振幅を独立に制御する機構を追加すれば、コンパクトな高機能光集積回路を実現することができる。
【００１５】
本発明の第２の特徴に係る光集積回路は、必ずしも、半導体基板上にモノリシックに集積化されている必要はない。絶縁基板上に波長選択フィルタ素子、及び発光素子と受光素子の少なくとも一方が実装されたハイブリッド集積回路でもかまわない。さらに、これ以外の種々の半導体チップ回路素子が実装されていてもかまわない。「少なくとも一方を同一基板上に形成」であるから、同一基板上に発光素子と受光素子の両方が搭載されてもよく、いずれか一方を省略してもかまわない。すなわち、発光素子と光回路素子とが集積化された送信用光集積回路及び、受光素子と光回路素子とが集積化された受信用光集積回路とに分けてもかまわない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施形態に係る多重反射アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子の基本的な構造を示す模式的な平面図を示す。ここでは材料としてＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰを用いた例について説明する。図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る波長選択フィルタ素子は、光が２つの反射面３，４の間を多重反射して伝搬すべく構成された第１の導波路列８と、各反射面３，４の端に結合した第２の導波路列（出力導波路列）９１，９２，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎとから構成されている。ジグザグ形状の第1の導波路列８は、幅約２μｍのＩｎＧａＡｓＰ導波路で構成された多重反射アレー導波路で、その入力端は、ＩｎＧａＡｓＰもしくは光ファイバなどの外部導波路（入力導波路）５に接続されている。第1の導波路列（多重反射アレー導波路）８は、ＩｎＧａＡｓＰもしくはＩｎＰクラッド領域からなるアレー導波路領域２に配置されている。このアレー導波路領域２の両側は、ＩｎＧａＡｓＰもしくはＩｎＰ外部クラッド領域（または空気）６，７である。
【００１８】
本発明の動作原理は以下の通りである。すなわち、多重反射アレー導波路８の左端に接続された外部導波路５より強度Ｐｉなる入力光を入力させると、この入力光は多重反射アレー導波路８の左の導波路より、反射面３及び４の間を順次多重反射して右の方向にジグザグに伝搬する。この際、各アレー導波路８の反射面３への入射角θを、例えば約１５°と全反射の臨界角（約１７．６°）よりやや小さく取ることにより、その時の透過率に基づき一定の透過出力光Ｐ０，１，Ｐ０，２，…，Ｐ０，ｎ−１，Ｐ０，ｎ、を得ることが出来る。この時、これらの出力光は、反射面３，４間の往復導波路長に基づく位相差を与えることが出来る。すなわち、反射面間の間隔をｌ，アレー導波路の反射面に対する入射角をθ一定とすると、一往復導波路長は、
Ｌ０＝２ｌ／cos θ                     …(1)
となるため、
φ＝２πｎ0Ｌ0／λ                    …(2)
なる位相差を有する透過波が各出力導波路９１，９２，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎから出力される。但し、λは光の波長、ｎ0はアレー導波路の等価屈折率である。これらの等位相差を有する光をスラブ導波路内で合波すると、
ｎsｄ sin θ＋ｎ0ΔＬ＝ｍλ           …(3)
なる回折条件を満たす離散的波長のみがθの方向に回折される。但し、ｎsはスラブ導波路の透過屈折率、ｄは出力導波路間隔、ｍは整数である。また、回折角とスラブ導波路の焦点距離ｆより、線分散特性は、
ｄｘ／ｄλ＝ｆｍ／（ｎsｄ）           …(4)
で与えられる。但し、ｘは出力導波路の横方向の位置である。
【００１９】
ここで、数値的な具体例を示し、本発明の有利な効果を示す。まず図１４に示した従来技術によるアレー導波路を実現するのに必要な寸法を考える。材料としてＩｎＰ系の半導体アレー導波路について取り上げ、波長はλ＝１．５５μｍ、屈折率ｎｓ＝３．３とする。出力導波路間隔としてｄ＝１０μｍ、チャンネル間隔をδλ＝０．８ｎｍとすると、線分散は(4)式よりｄｘ／ｄλ＝ｄ／δλ＝１２５００となり、焦点距離をｆ＝２５０μｍとすると、回折次数はｍ＝１６５０となる。このような大きな回折次数を実現するためには、(3)式よりアレー導波路の導波路長差にしてΔＬ＝７７５μｍが必要となる。アレー導波路本数として、通常３０本程度必要なことから、大雑把に見積もっても数ｍｍ程度のアレー導波路領域が必要となることが分かる。他方、本発明によるアレー導波路では、各導波路が２つの反射面間で多重反射することにより導波路長差が得られることから、長さｌはΔＬの概ね半分の約３８０μｍ、また幅ｗは、反射面への入射角と必要導波路本数、さらに曲がり導波路８の導入などにより約６００μｍという非常にコンパクトな寸法で実現することが出来る。
【００２０】
反射面３，４の構造は種々のものが採用できる。たとえば、導波路構造の変化などにおいて反射を得ることが出来る。その一例を反射部の１カ所について図２に示す。本構造は導波路構造としていわゆるリッジ構造を用いた例である。このリッジ構造（リッジ導波路）８はＩｎＰ基板１０の上に、膜厚０．５μｍのＩｎＧａＡｓＰ第１導波路層１１、膜厚０．２μｍのＩｎＰ中間層１２、膜厚０．２μｍのＩｎＧａＡｓＰ第２導波路層１３、膜厚１．０μｍのＩｎＰクラッド層１４を順次積層した多層構造を基礎として構成されている。そしてこの多層構造を図２に示すような上面パターンがジグザグ形状となるリッジ導波路に形成してアレー導波路８を構成している。図２に示す構造における反射面は、リッジ導波路８と空気との界面１５及びリッジ導波路を構成する第２導波路層１３の不連続面１６である。不連続面１６からなる反射面には、幅３μｍのリッジ構造出力導波路（リッジ導波路）９１が結合している。
【００２１】
通常反射面１５は全反射であるが、反射面１６においてはアレー導波路８と出力導波路９１の構造の差により決定される反射率を有する反射が引き起こされ、その残りが出力導波路９１に透過される構造となっている。このリッジ導波路の構造差による反射は、入射角を大きくしても、その反射率はせいぜい１０％程度とあまり大きくないため、出力導波路列数も数本で機能するデバイスに限定される。
【００２２】
図２に示す波長選択フィルタ素子の素子構造は、以下のような製造プロセスで作成できる。
【００２３】
（イ）まず、減圧有機金属気相エピタキシャル成長法（減圧ＭＯＶＰＥ法）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）、化学ビームエピタキシャル成長法（ＣＢＥ法）、あるいは液相エピタキシャル成長法（ＬＰＥ）を用いて、ＩｎＰ基板１０上にＩｎＧａＡｓＰ第１導波路層１１、ＩｎＰ中間層１２、ＩｎＧａＡｓＰ第２導波路層１３、ＩｎＰクラッド層１４を順次形成する。例えば減圧ＭＯＶＰＥ法で成長する場合、圧力１００Ｐａにおいて、基板温度６００℃で、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｓＨ３（アルシン）とＰＨ３（フォスフィン）を導入しＩｎＧａＡｓＰ第１導波路層１１を成長し、次にＴＭＩｎとＰＨ３とによりＩｎＰ中間層１２を、さらにＴＭＩｎ、ＴＥＧ、ＡｓＨ３とＰＨ３とによりＩｎＧａＡｓＰ第２導波路層１３を成長し、最後にＴＭＩｎとＰＨ３とによりＩｎＰクラッド層１４を形成すればよい。ＡｓＨ３のかわりにＴＢＡ（ターシャリー・ブチル・アルシン（（Ｃ４Ｈ９）ＡｓＨ２）を用いてもよい。
【００２４】
（ロ）次に、このウェハ上にフォトレジストでリッジ構造形成のための第１のエッチング用マスクパターンを形成する。このマスクパターンを用いてＩｎＰクラッド層１４、ＩｎＧａＡｓＰ第２導波路層１３、ＩｎＰ中間層１２をＲＩＥ法あるいはＥＣＲイオンエッチング法等のドライエッチングによりエッチングして、図２に示すようなリッジ構造を形成する。この第１のエッチングにおいては、不連続面１６はまだ形成されず、不連続面１６形成予定の部分から同一の多層構造がリッジ構造出力導波路９１形成予定部の上部に連続して形成されている。ドライエッチング以外にも、ウェット化学エッチングも採用できる。この場合は、塩酸系／硫酸系の選択エッチングを駆使することにより、ＩｎＰ中間層１２でエッチングを停止することができる。
【００２５】
（ハ）次に、第１のエッチング用マスクパターンを除去し、リッジ構造出力導波路９１を形成するための第２のエッチング用マスクパターンをフォトレジストで形成する。この第２のエッチング用マスクパターンは、リッジ構造出力導波路９１形成予定部の上部のみに窓部を有するマスクパターンである。そして、この第２のエッチング用マスクパターンを用いて、ＲＩＥ法あるいはＥＣＲイオンエッチング法等のドライエッチング若しくはウェット化学エッチングを実行することにより、ＩｎＰクラッド層１４及びＩｎＧａＡｓＰ第２導波路層１３を選択的に除去すれば、図２に示すような不連続面１６及びリッジ構造出力導波路９１が完成する。
【００２６】
本発明の第１の実施の形態の変形例に係る波長選択フィルタ素子を図３に示す。この波長選択フィルタ素子は、曲がり導波路を導入した構造である。ここに、曲がり導波路８の曲率半径は、曲がり導波路８とクラッド領域の屈折率差にもよるが、約３００〜４００μｍとすることによりほぼ無放射損失とすることができる。また、連続曲がり導波路ではなく、連続折れ曲がり導波路でも放射損失を極めて小さくすることができる。
【００２７】
（第２の実施の形態）本発明の第１の実施形態では本発明の波長選択フィルタ素子の基本構成に基づいて説明を行った。その中で説明に用いた図１及び図３は、第１の導波路列８の反射面３，４への入射角が一定値θ、すなわち反射率が一定の場合について示したものである。本発明では、第１の導波路列８からの各出力光列Ｐ０，１，Ｐ０，２，…，Ｐ０，ｎ−１，Ｐ０，ｎは従属して出力されるため、反射率一定では後段に行くほど出力光は等比級数的に減少することになる。しかるに、場合に応じて各出力光Ｐ０，１，Ｐ０，２，…，Ｐ０，ｎ−１，Ｐ０，ｎを一定にする必要がある。その場合には、反射率が入射角に依存する性質を用いて、後段に進むほど入射角が小さくすればよい。すなわち、図４に示すように出射光側の反射面３に対する入射角をθ１＞θ２＞θ３…＞θｎ−１と一定の規則で後段に行くほど小さくすることにより、各出射光Ｐ０，１，Ｐ０，２，…，Ｐ０，ｎ−１，Ｐ０，ｎを一定にすることが出来る。因みに、このように後段に進むほど入射角が小さくすると、図１のような反射面３，４間の距離ｌが一定の構造では、反射面間の導波路長差がそれに応じて短くなるため、各出力光の位相差を一定としたい場合は不都合となる。そこで、図４では、反射面３，４間の導波路での位相差を一定、すなわち導波路長差を一定とするために、反射面間の間隔を１１＜１２＜１３…＜１ｎー１＜１ｎと次第に長くした波長選択フィルタ素子を示している。具体的数値例として、各反射点のθの差を約０．５°とすると、反射面間の導波路長差は約３μｍとなる。
【００２８】
図４は反射面間の間隔が段々に変化した構造であるが、同様の効果は、図５に示すように連続的に反射面３，４間の間隔が広くなる構造においても達成される。
【００２９】
（第３の実施の形態）図６はアレー導波路から出力導波路間への比較的小さい入射角で、その反射率を大きく取れ、かつ精密に制御することが出来る構造を用いた第３の実施の形態に係る波長選択フィルタ素子の平面図である。図７は反射部の一カ所の部分の斜視図である。
【００３０】
図６に示すように、本発明の第３の実施形態に係る波長選択フィルタ素子は、光が２つの反射面４，１６の間を多重反射して伝搬すべく構成された第１の導波路列８と、各反射面４，１６端に結合した第２の導波路列（出力導波路列）９１，９２，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎとから構成されている。ジグザグ形状の第1の導波路列８は、幅約２μｍのＩｎＧａＡｓＰ導波路で構成された多重反射アレー導波路で、その入力端は、入力導波路５に接続されている。第1の導波路列（多重反射アレー導波路）８は、アレー導波路領域２に配置されている。このアレー導波路領域２の両側は、ＩｎＧａＡｓＰもしくはＩｎＰ外部クラッド領域（または空気）６，７である。
【００３１】
図７に示すように、本発明の第３の実施形態においては、アレー導波路領域２と出力導波路９１間に、エバネッセント光で結合する例えば１μｍ程度以下の基板まで掘り込まれた微小幅の溝１７か、もしくは、第１導波路層１１が途中まで除去された溝１７が形成されている。この溝１７の幅及び深さを調整することにより、反射面１６での反射率を精密に制御することが出来る。例えば、第１導波路１１の膜厚を０．５μｍとした場合、０．３μｍ程度以上の深さ及び０．５μｍ程度以下の幅にエッチングして溝１７を設けることにより、反射面１６への入射光は基本的に全反射されるが、エバネッセント光として出力導波路９１にその一部の光が結合される。この結合度は溝１７の幅や深さ、さらに溝１７にシリコン系又は有機物系の何らかの誘電媒質を充填することで調節できるため、所望の反射率に精度良く設定することが出来る。なお導波路厚や幅などの寸法や作製法は本発明の第１の実施の形態と同様である。
【００３２】
（第４の実施の形態）アレー導波路から各出力導波路への透過効率の精密な制御は結合導波路を用いることによっても達成することができる。図８に結合方法として並列結合導波路を用いた本発明の第４の実施の形態に係るアレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子の構造を示す。また、導波路構造としてリッジ構造について示してある。
【００３３】
図８に示すように、本発明の第３の実施形態に係る波長選択フィルタ素子は、光が２つの反射面１５；１７１，・・・・・・・，１７ｎの間を多重反射して伝搬すべく構成された第１の導波路列８と、各反射面１５；１７１，・・・・・・・，１７ｎの間の導波路８に結合したに結合した第２の導波路列（出力導波路列）１９１，・・・・・，１９ｎとから構成されている。ジグザグ形状の第1の導波路列８は、幅約２μｍのリッジ型多重反射アレー導波路である。このリッジ構造はＩｎＰ基板１０の上に、膜厚０．５μｍのＩｎＧａＡｓＰ第１導波路層１１、膜厚１．０μｍのＩｎＰクラッド層１４を順次積層した多層構造を基礎として構成されている。そしてこの多層構造を図８に示すような上面パターンがジグザグ形状となるリッジに形成してアレー導波路８を構成している。図８に示す構造における一方の反射面１５は、第１の実施の形態に示した通りのリッジ導波路８と空気との界面であるが、他方の反射面はエッチングミラー面１７１，・・・・・・・，１７ｎを採用している。
【００３４】
上記のように、本発明の第４の実施の形態に係る反射型アレー導波路の構造自体は、第１の実施の形態に示した構造とほぼ共通であるが、本発明の第４の実施の形態においては、出力導波路１９１，・・・・・，１９ｎとしてアレー導波路８と結合した結合導波路１９１，・・・・・，１９ｎを用いた点が相違する。出力導波路１９１，・・・・・，１９ｎから所望の出力光Ｐ０，１，…，Ｐ０，ｎ強度を透過させる調整は、各アレー導波路８での結合部の結合効率、すなわち結合部長さｌｃ，ｎもしくは導波路間の間隔ｄを導波路ごとに変化させることにより容易に高精度で制御することができる。同時に、上述の実施の形態と異なり、所定強度の出力光を得るのに端面反射率の制御を行う必要がないため、反射型アレー導波路の端面反射率を全反射にすることが可能であり、反射面への入射角も単に全反射角以上とすれば良いので作製条件が極めて緩和される。図８では、全反射面として一方はへき開反射面１５を、他方は半導体の一部を溝状に掘り込んだエッチングミラー面１７１，・・・・・・・，１７ｎを用いた。このエッチングミラー面形成用の溝は、エッチングミラー面で全反射が得られるようにウェットもしくはドライエッチングにより幅１０〜２０μｍ程度で導波路層１１が空気と接する程度に形成されていればよい。本発明の第４の実施の形態では結合導波路として並列結合導波路型について示したが、並列結合導波路のみならず積層結合導波路によっても実現することができ、また交差型や回折格子結合型など導波路間の結合が得られる構造で有れば同様の機能が達成される。
【００３５】
（第５の実施の形態）図９は本発明の第５の実施の形態に係る波長選択フィルタ素子の鳥瞰図である。本発明の第５の実施の形態に係る波長選択フィルタ素子は、図９に示すように、光が２つの反射面４；１７１，１７２，１７３，・・・・・・，１７（ｎ−１），１７ｎの間を多重反射して伝搬すべく構成された第１の導波路列８と、各反射面間の導波路列８に結合した第２の導波路列１９１，１９２，・・・・・，１９（ｎ−１），１９ｎと、この第２の導波路列１９１，１９２，・・・・・，１９（ｎ−１），１９ｎに結合した合波器（出力側スターカプラー）２０２と、この合波器（出力側スターカプラー）２０２に結合した第３の導波路列２１１，２１２，・・・・・，２１（ｎ−１），２１ｎとから構成されている。更に、本発明の第５の実施の形態に係る波長選択フィルタ素子は、第２の導波路列を構成する各導波路１９１，１９２，・・・・・，１９（ｎ−１），１９ｎを伝搬する光の位相を制御する機構（位相調整器）１９及び振幅を制御する機構（振幅調整器）１８を有する。
【００３６】
本発明の第５の実施の形態に係る波長選択フィルタ素子の動作原理は以下の通りである。波長選択フィルタ素子では位相調整を行う各導波路に所望の光量の入射光を入射する必要があるが、まず本発明による反射型アレー導波路８より波長多重信号光である入射光Ｐｉを、各出力導波路１９１，１９２，１９３，…，１９（ｎ−１），１９ｎに適当な強度で出力させる。そして各出力導波路１９１，１９２，１９３，…，１９（ｎ−１），１９ｎでは、振幅調整器１８により振幅がａ１，ａ２，ａ３，…，ａｎ−１，ａｎに、さらに位相調整器１９により位相がφ１，φ２，φ３，…，φｎ−１，φｎに制御され、出力側スターカプラー２０２により合波され、干渉に応じて分離された波長がそれぞれの最終出力導波路２１１，２１２，…，２１（ｎ−１），２１ｎより出力される。すなわち本発明の第５の実施の形態に係る波長選択フィルタ素子はコヒーレントトランスバーサルフィルタとして機能し、任意の波長λｉを任意の出力導波路２１１，２１２，…，２１（ｎ−１），２１ｎより取り出すことができる。ここで振幅調整器１８としては半導体光増幅器もしくは電気吸収型光変調器を用いることが可能である。また、位相調整器１９としては、電流注入もしくは電界印加による半導体の屈折率変化を利用してその機能を達成することができる。図９では本発明による反射型アレー導波路１の反射面１７１，１７２，１７３，…，１７（ｎ−１），１７ｎへの入射角がθと一定、すなわち反射率は一定であるため出力導波路１９１，１９２，１９３，…，１９（ｎ−１），１９ｎの番号ｎが先に進むにつれその透過光量は等比級数的に減少する。従って、各出力導波路１９１，１９２，１９３，…，１９（ｎ−１），１９ｎとアレー導波路（第１の導波路列）８との結合部の長さｌＣ，ｎを調整するか、もし一定ならこれも考慮して振幅調整器１８の透過率（増幅率）を設定することとなる。振幅調整器１８も位相調整器１９もその長さは約数１００μｍ程度でよく、電流注入量は数１０ｍＡで所望の効果を得ることが出来る。
【００３７】
図１０は本発明の第５の実施の形態の変形例に係る波長選択フィルタ素子の平面図である。本発明の第５の実施の形態の変形例に係る波長選択フィルタ素子は、図１０に示すように、光が２つの反射面３，４の間を多重反射して伝搬すべく構成された第１の導波路列８と、第１の導波路列８の各反射端３に結合した第２の導波路列９１，９２，９３，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎと、第２の導波路列９１，９２，９３，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎに結合した合波器（出力側スターカプラー）２０２と、この合波器（出力側スターカプラー）に結合した第３の導波路列２１１，２１２，・・・・・，２１（ｎ−１），２１ｎとから構成されている。更に、本発明の第５の実施の形態の変形例に係る光トランスバーサルフィルタは、第１の導波路列８を構成する各導波路を伝搬する光の位相を制御する機構（位相調整器）１９及び振幅を制御する機構（振幅調整器）１８を有する。
【００３８】
図１０のように振幅調整器１８及び位相調整器１９が反射型アレー導波路８に配置されていても、図９と同様の機能を達成することが出来る。この場合は前段の振幅及び位相調整条件が後段にも影響するため、その分を考慮して各調整器１８，１９のパラメータを設定する必要がある。
【００３９】
（第６の実施の形態）図１１は本発明の第６の実施の形態に係る光集積回路の平面図である。本発明の第６の実施の形態に係る光集積回路は、図１１に示すように同一基板（半導体チップ）６００上に、第１の実施の形態で説明した第１の導波路列８を具備した波長選択フィルタ素子と、第１の導波路列８の入力端に接続された入力導波路４１１に結合された発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎと、波長選択フィルタ素子を構成している第２の導波路列９１，９２，９３，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎの出力側に結合された受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎとから構成されている。ここで、波長選択フィルタ素子は、２つの反射面３，４の間を多重反射して伝搬すべく構成された第１の導波路列８と、各反射面３，４の端に結合した第２の導波路列（出力導波路列）９１，９２，９３，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎとから構成されている。ジグザグ形状の第1の導波路列８は、例えば、幅約２μｍのＩｎＧａＡｓＰ導波路で構成すれば良い。発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎはたとえばＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰレーザダイオード等で構成すればよい。受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎも発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎと禁制帯幅が同一かそれよりも小さい同様な構造のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰフォトダイオードで構成すれば高効率の光検出が可能である。発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎと入力導波路４１１との間には合波回路４０１が配置され、発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎからのそれぞれ波長の異なる入力光は、導波路３１１，３１２，・・・・・，３１（ｎ−１），３１ｎを介して、合波回路４０１に導かれ合波される。
【００４０】
合波回路４０１からの波長多重化された光信号は、２つの反射面３，４の間を斜めに多重反射させることにより各反射面からの光信号出力に一定の規則で光路長差を与えられ、位相差が制御されたアレー出力光となり受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎに導かれる。このように多重反射を利用することで、長手方向は基本的には導波路幅オーダーの距離に導波路本数を乗じたオーダーの寸法、またその横手方向はデバイス特性に必要な位相差に対応した導波路長の寸法ですむため、極めてコンパクトなアレー導波路が実現され、この結果、極めてコンパクトな光集積回路が実現できる。
【００４１】
図１１に示す合波回路４０１は、単なる合波器として機能するだけでなく、光論理演算を行うことの出来るような、より高機能な合波回路でもよい。更に、図１１に示す合波回路４０１は光増幅機能を有した合波回路等であってよい。また、合波回路４０１と第１の導波路列８の入力端との間に他の光回路素子や光機能素子が挿入されてもかまわない。同様に、第２の導波路列９１，９２，９３，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎと受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎとの間に他の光回路素子や光機能素子が挿入されてもかまわない。
【００４２】
図１２は本発明の第６の実施の形態の変形例に係る光集積回路の平面図である。本発明の第６の実施の形態の変形例に係る光集積回路は、図１２に示すように同一基板（半導体チップ）６００上に、第１の導波路列８を具備した光回路素子と、第１の導波路列８の入力端に接続された入力導波路４１１に結合された発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎと、第１の導波路列８の各反射端３に結合した第２の導波路列９１，９２，９３，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎと、第２の導波路列９１，９２，９３，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎに結合した合波器（出力側スターカプラー）２０２と、この合波器（出力側スターカプラー）に結合した第３の導波路列２１１，２１２，２１３，・・・・・，２１（ｎ−１），２１ｎと、第３の導波路列２１１，２１２，２１３，・・・・・，２１（ｎ−１），２１ｎの出力側に結合された受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎとから構成されている。ジグザグ形状の第1の導波路列８は、例えば、幅約２μｍのＩｎＧａＡｓＰ導波路で構成すれば良い。更に、本発明の第６の実施の形態の変形例に係る光集積回路は、第１の導波路列８を構成する各導波路を伝搬する光の位相を制御する機構（位相調整器）１９及び振幅を制御する機構（振幅調整器）１８を有する。発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎは、たとえばＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰレーザダイオード等で構成すればよい。また、受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎも発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎと禁制帯幅が同一かそれよりも小さい同様な構造のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰフォトダイオードで構成すれば高効率の光検出が可能である。発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎと入力導波路４１１との間には合波回路４０１が配置され、発光素子３０１，３０２，・・・・・，３０（ｎ−１），３０ｎからのそれぞれ波長の異なる入力光は、導波路３１１，３１２，・・・・・，３１（ｎ−１），３１ｎを介して、合波回路４０１に導かれ合波される。
【００４３】
合波回路４０１からの波長多重化された光信号は、２つの反射面３，４の間を斜めに多重反射させることにより各反射面からの光信号出力に一定の規則で光路長差を与えられ、位相差が制御されたアレー出力光となり受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎに導かれる。さらに、本発明の第６の実施の形態の変形例に係る光集積回路においては、第１の導波路列８を構成する各導波路において、振幅調整器１８により振幅がａ１，ａ２，ａ３，…，ａｎ−１，ａｎに、さらに位相調整器１９により位相がφ１，φ２，φ３，…，φｎ−１，φｎに制御され、出力側スターカプラー２０２により合波される。出力側スターカプラー２０２で干渉に応じて分離された波長は、それぞれの最終出力導波路２１１，２１２，…，２１（ｎ−１），２１ｎより出力され、受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎで検出される。すなわち本発明の第６の実施の形態の変形例に係る光集積回路はコヒーレントトランスバーサルフィルタとしての機能を有した導波路を具備し、任意の波長λｉを任意の受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎで検出することができる。本発明の第６の実施の形態の変形例に係る光集積回路においては、多重反射を利用することで、長手方向は基本的には導波路幅オーダーの距離に導波路本数を乗じたオーダーの寸法、またその横手方向はデバイス特性に必要な位相差に対応した導波路長の寸法ですむため、極めてコンパクトな光集積回路が実現できる。
【００４４】
図１１に示す合波回路４０１は、単なる合波器として機能するだけでなく、光論理演算を行うことの出来るような合波回路でもよい。また、合波回路４０１と第１の導波路列８の入力端との間、第２の導波路列９１，９２，９３，・・・・・，９（ｎ−１），９ｎと合波器（出力側スターカプラー）２０２との間、若しくは、合波器（出力側スターカプラー）２０２と受光素子５０１，５０２，５０３，・・・・・，５０（ｎ−１），５０ｎとの間に他の光回路素子や光機能素子が挿入されてもかまわない。
【００４５】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１乃至第６の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４６】
たとえば上記の第１乃至第６の実施の形態ではＩｎＧａＡｓＰ半導体を用いた構造について説明したが、これに限らず導波路としてＳｉＯ２ガラス平面導波路や他の材料による埋め込み導波路などの各種導波路、振幅調整器としてマッハツェンダ干渉型などの結合可変分岐器、さらに位相調整器として加熱型など他の構造を用いることができるのは言うまでもない。また、上記の第１乃至第６の実施の形態では一方の側のみ出力導波路アレー９１，９２，９３，…，９（ｎ−１），１９ｎを配置させたが、図１３に示すように他方の側にも第２の出力導波路アレー２９１，２９２，２９３，…，２９（ｎ−１），２９ｎを配置すれば一つのアレー導波路により二つのフィルタ機能を同時に達成することが出来る。
【００４７】
また、第６の実施の形態においては半導体チップ上にモノリシックに集積化する光集積回路を一例として示したが、絶縁基板上に種々の半導体チップや発光素子、受光素子、その他の回路素子を実装したハイブリッド集積回路でもかまわないことは勿論である。
【００４８】
さらに、第６の実施の形態においては基板上に発光素子と受光素子の両方が搭載された場合を示したが、いずれか一方を省略してもかまわない。すなわち、発光素子と第１乃至第５の実施の形態で述べた波長選択フィルタ素子とが集積化された送信用光集積回路及び、受光素子と第１乃至第５の実施の形態で述べた波長選択フィルタ素子とが集積化された受信用光集積回路とに分けてもかまわない。
【００４９】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の記載に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、コンパクトなアレー導波路回折格子を用いて高機能波長選択フィルタ素子を実現することができる。
【００５２】
本発明によれば、コンパクトかつ高機能な光集積回路を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る反射型アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子の平面図である。
【図２】図１に示した波長選択フィルタ素子の反射面の構成を示す鳥瞰図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る反射型アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子のの平面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る反射型アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子の平面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の変形例に係る反射型アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子の平面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る反射型アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子の平面図である。
【図７】図６に示した波長選択フィルタ素子の一部の反射面を示す鳥瞰図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係る反射型アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子の鳥瞰図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態に係る波長選択フィルタ素子の鳥瞰図である。
【図１０】本発明の第５の実施の形態の変形例に係る波長選択フィルタ素子の平面図である。
【図１１】本発明の第６の実施の形態に係る光集積回路を示す模式的な平面図である。
【図１２】本発明の第６の実施の形態の変形例に係る光集積回路を示す模式的な平面図である。
【図１３】本発明の他の実施の形態に係る反射型アレー導波路を用いた波長選択フィルタ素子の平面図である。
【図１４】従来の波長選択フィルタ素子の模式図である。
【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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【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１４】
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