JP3053966B2 - 方向性結合器フィルタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信、光交換、光情
報処理、光記録などに用いられて入射した光の中の特定
の波長の光を選択する光フィルタ、特に、複数導波路層
間で導波モード変換を行わせるグレーティング付き方向
性結合器フィルタに関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、光集積回路をベースとして、波長
分割多重システムを利用した光通信や光情報処理が、活
発に研究されている。上記システムを実現する上で、重
要なデバイスの一つに波長フィルタが挙げられる。特
に、光集積回路を意識した場合、方向性結合器フィルタ
のように、導波路から構成され、さらに、異なる素子を
接続できる素子は極めて魅力的である。ただし、方向性
結合器フィルタは、入力ポートと出力ポートが同方向に
存在するために使いづらい逆方向結合型を除くと、一般
的に、波長選択性に乏しく、したがって、高密度波長多
重に不向きとされてきた。

【０００３】しかし、最近、特開平２−２３９２０９号
明細書に見られるような半導体積層導波路を利用したグ
レーティング順方向結合フィルタが、その鋭い波長選択
性から注目されている。また、チャネル間のクロストー
クを劣化させる要因となる透過サイドローブに関して
も、特願平１−３１４８４１号明細書で提案されている
２つの導波路近辺に形成されたグレーティングのデュー
ティ比ないし結合係数をテーパ状に分布させる手法によ
り、その抑圧が実現可能となっている。これは、フィル
タの透過レスポンスが、結合係数のフーリエ変換に比例
する原理による。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の方法で
は、結合係数のテーパ化を行うテーパ関数が正の関数に
限られていて、テーパ関数の種類に制限があった。よっ
て、いまだ充分効果的には透過サイドローブ抑圧が図れ
ず、また、チャネル間隔やクロストーク抑圧比の仕様に
充分広く応じることができなかった。

【０００５】従って、本発明の目的は、結合係数に分布
をつけるグレーティングのテーパ関数の適用自由度を広
げることができる構造を有するグレーティング付き方向
性結合器フィルタを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明においては、グレ
ーティングの位相を複数導波路間の結合領域の途中でシ
フトすることにより、異なる位相関係を導入し、透過サ
イドローブ抑圧用のテーパ関数の種類を広げている。結
合係数を一部負とできることにより（この原理について
は後述する）、例えば、変換レスポンスがフィルタとし
て理想的な方形波となるシンク関数（ｓｉｎ（ｘ）／
ｘ）などを、テーパ関数として適用することが可能とな
る。

【０００７】図１は、本発明による方向性結合器フィル
タの動作原理を示している。素子は、２層の非対称（厚
さ、組成などが異なる）な導波路１、２からなり、これ
らの導波路１、２の層厚は垂直方向の横モードが２つ
（図１では、偶モードと奇モードの光電界強度分布が示
される）成立するように設定されている。下の導波路１
から入力された光は、下部導波路１に中心強度を有する
奇モードとして伝搬し、相互作用領域において、グレー
ティング３で決められる位相整合波長で、上の導波路２
に偶モードとして結合される。位相整合波長から離れた
波長は、下の導波路１に残りそのまま伝搬する。ここ
で、位相整合波長λは、以下の一次のブラッグ条件を満
足する。 β_e（λ）−β_o（λ）＝２π／Λ （１） ここで、β_e、β_oは、それぞれ偶モード、奇モードの伝
搬定数を表わしている。Λは、グレーティング３の周期
である。

【０００８】本素子において、成立する偶モードおよび
奇モードの電界をそれぞれＥ_e、Ｅ_oであらわす。２層
１、２間の強い非対称性のため、導波モードの電界は、
導波路が独立に存在する場合の各導波路を導波するモー
ドの電界と酷似している。そこで、モードの結合は、グ
レーティング３の回折に依存していると考えてよい。両
モード間の結合係数κは、以下の式で表わされる。 κ（ｚ）＝（ωε₀／８）∫₀ ^gＥ_eΔｎ _g ²Ｅ_oｄｘ （２） ｇはグレーティングの深さである。ωは光の角周波数、
ε₀は真空の誘電率、ｘはグレーティング３の深さ方向
の座標、ｚは導波光の進行方向の座標である。

【０００９】ここで、Δｎ _g ²は、グレーティング３に
よる屈折率の摂動であり、グレーティング３を矩形と考
え、グレーティング３を構成する上部導波路層２の屈折
率をｎ₂、クラッド層５の屈折率をｎ₁として、以下のよ
うに表わされる。 −（ｎ ₂ ²−ｎ ₁ ²）／πｓｉｎ（πｗ／Λ）：グレーティング層内 Δｎ _g ²＝｛ （３） ０ ：上記以外。

【００１０】図２は、グレーティング３のデューティ比
（グレーティング歯幅／周期：ｗ／Λ）を変化させた時
の結合係数κの変化を表わしている。グレーティング３
のデューティ比を変化させると、式（３）から、Δｎ _g
²が変化し結合係数κを変える。この場合、さらには、
上の導波路２の実効的厚さも変えるため、電界分布形
状、伝搬定数も共に変化する。そのため、位相整合の条
件が変動し、位相整合波長がシフトする。そこで、デュ
ーティ比の変化に合わせて、周期Λを制御して、結合領
域に渡って位相整合波長を一定に保つ操作を行なう必要
がある。図２中の周期Λのカーブは、そのためのもので
ある。本素子においては、上記のようにデューティ比を
操作することにより、結合係数κの制御が図れる。

【００１１】次に、結合係数κが負値化できることを説
明する。結合係数の分布を行なうために、結合領域（長
さ；Ｌ）を図３のようにＮ個の領域（各領域の長さをｌ
¹，ｌ²，・・・，ｌ^N-1，ｌ^Nとする）に分割し、各領域
の中では、パラメータは一定と仮定する。各領域のパラ
メータをＦ−マトリクスで表わすと入力端での電界Ｅ_e
（０），Ｅ_o（０）と出力端での電界Ｅ_e（Ｌ），Ｅ
_o（Ｌ）は、以下のようになる。ただし、｜を縦に並べ
たもの及び［］は行列であることを表す。 ｜Ｅ_e（０）｜ ｜Ｅ_e（Ｌ）｜ ｜ ｜＝〔Ｆ〕｜ ｜ （４） ｜Ｅ_o（０）｜ ｜Ｅ_o（Ｌ）｜ 〔Ｆ〕は、結合領域を通しての特性を表しており、各領
域のＦマトリクスをＦ^kとすれば、 〔Ｆ〕＝Π _k=1 ^NＦ^k （５）となる。

【００１２】Ｆ−マトリクスの各要素は、以下のようで
ある。 Ｆ₁₁＝［cosh（γＬ）＋ｉΔβＬsinh（γＬ）／γＬ）］exp（ｉβ_B Ｌ）， Ｆ₁₂＝−κＬsinh（γＬ）exp［−ｉ（β_BＬ＋φ）］／（γＬ）， Ｆ₂₁＝−κＬsinh（γＬ）exp［ｉ（β_BＬ＋φ）］／（γＬ）， （６） Ｆ₂₂＝［cosh（γＬ）−ｉΔβＬsinh（γＬ）／γＬ）］exp（−ｉβ_B Ｌ）． ここで、Δβ，γは、以下のようである。 Δβ＝β−β_B， （７） γ²＝κ²−（Δβ）²， （８）。

【００１３】ここで、βは伝搬波長の伝搬定数、β_Bは
位相整合波長での伝搬定数をそれぞれ表わす。φはグレ
ーティング３の位相を表わしている。φが０の場合は、
グレーティング３の位相が連続的に形成されている場合
であり、πの場合は、図４に示すように、境界において
グレーティング３が半波長シフトしたことに相当する。
すなわち、結合係数κを含むＦ₁₂，Ｆ₂₁は、ｅｘｐ（−
ｉπ）＝−１となるため、見かけ上、結合係数κの記号
が正負逆転する。このように、境界において、位相φを
πシフトすることにより、結合係数κの分布に負の領域
が形成可能となる。

【００１４】

【実施例１】以下、実施例を説明する。特願平１−３１
４８４１号明細書に示す様に、結合係数κに関して幾つ
かのテーパ関数が検討されている。そこで、そのテーパ
関数と、フーリエ変換スペクトルが方形波となるシンク
関数Ｓｉｎｃ（απｚ／Ｌ）を組み合わせてみる。αは
定数である。以下にその組み合わされたテーパ関数を列
挙する。ｚは、光の伝搬方向を示している。

【００１５】シンク・ハミング関数： ｆ（ｚ）＝Sinc（３πｚ／Ｌ）［１＋０．８５２cos（２πｚ／Ｌ）］ （９） シンク・レイズドコサイン関数： ｆ（ｚ）＝Sinc（３πｚ／Ｌ）［１＋cos（２πｚ／Ｌ）］ （１０） シンク・ブラックマン関数： ｆ（ｚ）＝Sinc（３πｚ／Ｌ）［１＋１．１９cos（２πｚ／Ｌ）＋０．１９cos （４πｚ／Ｌ）］ （１１） シンク・カイザー関数： ｆ（ｚ）＝Sinc（３πｚ／Ｌ）［γ／sinh（γ）］Ｉ₀ ｛γ［１−（２ｚ／Ｌ）²］^1/2 （１２）。

【００１６】ここでＩ₀は、０次の第一種の変形された
ベッセル関数、γはシェーピングパラメータでここでは
１０としている。上記のテーパ関数は、結合長Ｌで正規
化され、以下のように表わされる。 ∫ _-L/2 ^2/Lｆ（ｚ）ｄｚ＝ｌ （１３） 以上より、結合係数κは以下のように表わされる。 κ（ｚ）＝κ₀ｆ（ｚ）／Ｌ （１４）。

【００１７】ｋ₀は、結合係数κを相互作用領域にわた
って積分した値である。図５（ｂ）は、シンク・ハミン
グ関数でテーパ化した結合係数κの分布を表わしてい
る。この分布を得るために、デューティ比と周期の変化
を図２から求める。図５（ａ）は、シンク・ハミング関
数分布を実現するためのグレーティング３のデューティ
比と周期の分布を表わしている。図中の点線は、位相シ
フトした境界であり、斜線部が負の結合係数κの領域で
ある。その結果、図５（ｂ）のようなシンク・ハミング
関数に沿った結合強さκの分布が得られる。位相シフト
した境界で囲まれた領域は、結合係数κが負となる。

【００１８】図６から図９に上記（９）から（１２）の
各関数によりテーパを付けたときの透過スペクトルを示
す（片側のみ示す）。構造は図１に示すものである。図
６乃至図９において、点線は、シンク関数と組み合わせ
ない場合で、実線は組み合わせた場合である。いずれ
も、シンク関数と組み合わせない場合と比べて、透過サ
イドローブのさらなる抑圧が図れ、かつ、方形波へ近づ
いている。

【００１９】

【実施例２】本発明による方向性結合器フィルタをＧａ
Ａｓ系半導体を用いて作製した例について、図１に沿っ
て説明する。ＧａＡｓ基板上に、ＭＢＥ（分子線エピタ
キシー）法により、下から順にＡｌＧａＡｓクラッド層
６、ＧａＡｓ（井戸）／ＡｌＧａＡｓ（バリア）−多重
量子井戸（ＭＱＷ）からなる下部導波路１、ＡｌＧａＡ
ｓクラッド層５、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−ＭＱＷから
なる上部導波路２、ＡｌＧａＡｓグレーティング層７を
成膜する。次いで、フォトマスク露光、反応性イオンビ
ームエッチング（ＲＩＢＥ）により、グレーティング３
を形成した後、ＣＢＥ（ケミカルビームエピタキシー）
またはＬＰＥ（リキッドフェイズエピタキシー）法によ
りＡｌＧａＡｓクラッド層８を成膜する。ここで用いる
フォトマスクは、コンピュータ制御による電子ビーム露
光により作製されたもので、所望の周期やデューティ比
のグレーティング３を容易に形成できる。

【００２０】本実施例では、シンク・ガウシアン関数ｆ
（ｚ）＝Ｓｉｎｃ（πｚ／Ｌ）ｅｘｐ［−（２πｚ／
Ｌ）２］による結合係数κのテーパを用いた。下部導波
路１から波長可変光源の光を入力したときの、上部導波
路２からの透過スペクトルを図１０に示す。透過サイド
ローブが十分に抑圧されている様子が分かる。

【００２１】

【実施例３】本発明による方向性結合器フィルタを光検
出器と集積化した例を図１１に示す。集積化した素子
は、フィルタ領域１１と検出器領域１２からなり、検出
器領域１２においては、上部導波路２５の上層にｉ−Ｇ
ａＡｓからなる光吸収層２８が形成されている。ｉ−Ｇ
ａＡｓ層２８の下位層は全て、ｎ型で構成されており、
上位層はｐ型で形成されている。従って、検出器領域１
２において、ｐ−ｉ−ｎフォトディテクタが構成され
る。

【００２２】作成は、一回目の成長で検出器領域１２を
全て成長し、フィルタ領域１１のみ、上部導波路２５が
露出するまでエッチングを行ない、位相シフト領域を有
するグレーティング２６形成後、高抵抗のＡｌＧａＡｓ
クラッド層２７を再成長する。この一回目の成長は、基
板２１上に、順に、クラッド層２２、下部導波路層２
３、クラッド層２４、上部導波路層２５、光吸収層２
８、クラッド層２９、コンタクト層３０を積層して行
う。図１１において、３１はコンタクト層３０上のｐ型
電極、３２は基板２１裏面上のｎ型電極である。

【００２３】フィルタ領域１１の下部導波路２３より入
力された光は、所望の波長において、上部導波路２５に
結合移行し、検出器領域１２の吸収層２８に強く結合す
る。他の波長の光は、下部導波路２３を伝搬し、検出器
領域１２においても、その電界強度分布が吸収層２８に
殆ど及んでいない為に、ほとんど吸収されず下部導波路
２３を引き続き進む。後段に、グレーティング周期の異
なる図１１と同構造の本素子を設けることにより、同時
に複数の波長を検出することも可能である。検出器領域
１２においては、必要に応じて、バイアスを印加して周
波数応答の向上を図ることも無論可能である。

【００２４】

【実施例４】本方向性結合器フィルタを、光増幅器もし
くはアクティブな光フィルタから生じる自然放出光のカ
ットフィルタとして用いることも可能である。本素子に
よれば、半導体からなる光増幅器やアクティブ光フィル
タと同一基板上で集積することも容易で、有効なノイズ
カットフィルタとなる。

【００２５】図１２はその例である。図１１と同一機能
部には同一の番号を付してある。中央部の光増幅器１３
の活性層３８はフィルタ領域１１の上部導波路２５と一
致している。前段のフィルタ領域１１で、使用増幅帯域
の波長のみが下部導波路２３から上部導波路２５へ移行
され、閾値より若干小さい電流が注入されている光増幅
器１３で増幅を受け、後段のフィルタ領域１１で、再び
下部導波路２３へ戻り出力される。したがって、他の光
増幅器で発生した雑音光を、本素子の光増幅器１３に入
る事前にカットすることが出来、さらに、自ら発生した
雑音光を出力光として漏らすことがなくなる。以上の動
作は、半導体光増幅器を多段接続したときに極めて有効
となる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、複数導波路間で導波モ
ードの結合を生じさせるグレーティングの位相シフトに
より、複数導波路間の結合係数の負値化が可能であるた
め、結合係数に分布をつけるテーパ関数の適用自由度を
拡げることができる。そのため、効果的な透過サイドロ
ーブ抑圧が図れ、さらに、フィルタ透過スペクトルをよ
り理想的な方形波に近付けることも可能となる。

【００２７】また、本発明による方向性結合器フィルタ
は、結合係数の設計が容易で、チャネル（導波路）間隔
やクロストーク抑圧比の仕様に広く応じることができ
る。さらには、光検出器、光増幅器等、他の素子との集
積化においても、極めて好適であり、現在及び今後の光
情報伝送システム、光通信システム、光ＬＡＮ、光コン
ピューティング、光記録、光交換などに広く応用するこ
とが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による方向性結合器フィルタの動作原理
を説明する図。

【図２】グレーティングのデューティ比、周期と結合係
数の関係を表す図。

【図３】本発明による方向性結合器フィルタの解析方法
を説明する図。

【図４】本発明による方向性結合器フィルタ内でのグレ
ーティングの位相シフトの原理について説明する図。

【図５】グレーティングのデューティ比および周期の分
布と、それによる結合の強さの分布を説明する図。

【図６】シンク・ハミング関数で結合係数をテーパ化し
たときの透過レスポンスを表す図。

【図７】シンク・レイズドコサイン関数で結合係数をテ
ーパ化したときの透過レスポンスを表す図。

【図８】シンク・ブラックマン関数で結合係数をテーパ
化したときの透過レスポンスを表す図。

【図９】シンク・カイザー関数で結合係数をテーパ化し
たときの透過レスポンスを表す図。

【図１０】シンク・ガウシアン関数で結合係数をテーパ
化したときの透過レスポンスを表す図。

【図１１】本発明による方向性結合器フィルタと光検出
器を集積化した実施例を説明する図。

【図１２】本発明による方向性結合器フィルタと光増幅
器を集積化した実施例を説明する図。

【符号の説明】

１，２３ 下部導波路 ２，２５ 上部導波路 ３，２６ グレーティング ５，６，８，２２，２４，２９ クラッド層 ７ グレーティング層 １１ フィルタ領域 １２ 検出噐領域 １３ 光増幅器 ２１ 基板 ２７ 高抵抗クラッド層 ２８ 光吸収層 ３０ コンタクト層 ３１，３２ 電極 ３８ 活性層

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 グレーティングを用いて波長選択を行な
   う方向性結合器フィルタに於いて、グレーティングのデ
   ューティ比が結合領域にわたって、テーパ状に変化して
   いて、且つ、グレーティングの位相が途中少なくとも１
   か所でシフトしていることを特徴とする方向性結合器フ
   ィルタ。
2. 【請求項２】 グレーティングのデューティ比の変化に
   合わせて、周期自体も変化していることを特徴とする請
   求項１記載の方向性結合器フィルタ。
3. 【請求項３】 積層された半導体の導波路からなること
   を特徴とする請求項１記載の方向性結合器フィルタ。
4. 【請求項４】 光検出器と集積化されたことを特徴とす
   る請求項１記載の方向性結合器フィルタ。
5. 【請求項５】 光増幅器と集積化されたことを特徴とす
   る請求項１記載の方向性結合器フィルタ。
6. 【請求項６】 下部導波路とクラッド層と上部導波路か
   らなり、下部及び上部導波路及びその周辺領域のいずれ
   かにグレーティングが形成されていることを特徴とする
   請求項１記載の方向性結合器フィルタ。
7. 【請求項７】 光検出器がｐ−ｉ−ｎ構造を有すること
   を特徴とする請求項５記載の方向性結合器フィルタ。
8. 【請求項８】 光増幅器が半導体レーザ構造を有するこ
   とを特徴とする請求項５記載の方向性結合器フィルタ。
9. 【請求項９】 グレーティングのデューティ比が、シン
   ク・ハミング関数、シンク・レイズドコサイン関数、シ
   ンク・ブラックマン関数、シンク・カイザー関数、シン
   ク・ガウシアン関数のいずれかに従ってテーパ状に変化
   していることを特徴とする請求項１記載の方向性結合器
   フィルタ。