JP5228778B2

JP5228778B2 - 光回路素子

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Publication number: JP5228778B2
Application number: JP2008263529A
Authority: JP
Inventors: 健志岡本; 健二佐藤; 健二水谷; 友章加藤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-10-10
Also published as: JP2010091900A

Description

本発明は、光回路素子に関する。

光部品パッケージの小型化、高機能化に対する要求は年々高まっており、それに伴い光デバイスの集積化が進んでいる。そのためには、光デバイスの集積方法、選定材料、素子構造について検討することが必要である。

まず、レーザ等の発光素子に波長可変フィルタや変調器といった異機能素子を集積する場合、それぞれの機能素子の材料をそれぞれの特徴に応じて最適なもので構成することが望ましい。光デバイスに用いる材料としては、化合物半導体系、シリコン系および石英系がある。

材料として化合物半導体系を一部領域あるいは全領域に用いる機能素子では、素子サイズ、高速応答性、信頼性等の観点から、それぞれの機能素子の構造をそれぞれの特徴に応じて最適なもので構成することが望ましい。構造には、コア構造と導波路構造がある。

まず、コア構造について説明する。コア構造には、目的の波長での光利得を得るためにバンドギャップエネルギーの小さい層をもつアクティブ領域とバンドギャップエネルギーが大きい層をもつパッシブ領域とに分けることができる。バンドギャップは層厚、結晶組成比、および結晶組成比に起因する結晶ひずみにより調整できる。アクティブ領域は、レーザ、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）、光増幅器、フォトディテクタ等に用いられる。パッシブ領域は、変調器、光フィルタ等に用いられる。また、アクティブ領域、パッシブ領域それぞれ、構成する原子材料の種類を変えることで物性を異にすることができ、光デバイスには、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂといった原子がよく用いられる。

次に、導波路構造について図８を用いつつ説明する。導波路構造については、形状および導波モード数の違いで複数の種類に分けられる。形状に関し、光デバイスによく使われる導波路構造には大きく分けてハイメサ導波路構造、リブ導波路構造、埋め込み導波路構造の３種類がある。

図８（ａ）は、ハイメサ導波路構造の一例を示す模式図である。図８（ａ）で示すように、基板１０上に、クラッド１１とクラッド１１に挟まれたコア１２とからなるメサ形状の積層が形成されている。ハイメサ導波路構造は、導波路の脇の部分がコア１２の上下にわたって空気や誘電体といった低屈折率材料に置き換わった形状をしているため、半導体と低屈折率材料との屈折率コントラストが大きい。したがって、導波路を急峻に曲げても放射損失が増大しにくいという特徴がある。そこで、ハイメサ導波路構造は、曲がり導波路を多用するデバイスを省サイズで形成するのに用いられる。また、ハイメサ導波路の両脇を低屈折率、すなわち低誘電率な材料で充填することにより、電気容量を低減することができる。このとき、信号変調時の容量部分の充電時間が短くてすむため、高速動作が必要なデバイスにも用いられる。

図８（ｂ）は、リブ導波路構造の一例を示す模式図である。図８（ｂ）で示すように、基板１０上に、クラッド１１とクラッド１１に挟まれたコア１２とからなる積層が形成され、コア１２の上部に形成されたクラッド１１がメサ状に形成されている。リブ導波路構造は、コア１２よりも上側のクラッド１１が空気や誘電体といった低屈折率材料に置き換わった形状をしている。この構造は、導波路形成のためにコア１２を加工していないため、格子欠陥が生じにくい。その結果、電流注入による局在的な温度上昇が生じても素子劣化につながるような格子欠陥の増大もまた起こりにくく、信頼性が良好である。そこで、リブ導波路構造は、電流注入を伴うレーザ、ＬＥＤ、光増幅器といった利得素子によく用いられる。

図８（ｃ）は、埋め込み導波路構造の一例を示す模式図である。図８（ｃ）で示すように、基板１０上に、クラッド１１とクラッド１１に埋め込まれたコア１２とが形成されている。埋め込み導波路構造は導波路の脇の部分がコア１２よりも屈折率の小さい半導体材料に置き換えられた形状をしている。この構造は、導波路形成のための加工により生じたダメージを結晶再成長により回復させているため、格子欠陥が生じにくい。その結果、図８（ｂ）で示すリブ導波路と同様に、電流注入による局在的な温度上昇が生じても素子劣化につながるような格子欠陥の増大もまた起こりにくく、信頼性が良好である。そこで、埋め込み導波路構造は、電流注入を伴うレーザ、ＬＥＤ、光増幅器といった利得素子によく用いられる。また埋め込み導波路構造は、工程が複雑という欠点はあるが、図８（ｂ）で示すリブ導波路構造よりもキャリア閉じ込めがよく、図８（ａ）で示すハイメサ導波路構造のように、剥き出しの半導体側面を介したリーク電流も発生しにくいため、レーザに適用した場合、しきい値を低くし、かつ、高効率に動作させることができる。

また、導波モード数に関し、光デバイスによく使われる導波路構造には大きく分けて複数のモードを導波するマルチモード導波路および単一のモードを導波するシングルモード導波路の２種類がある（図示しない）。

マルチモード導波路は、複数のモード光を導波する導波路のことである。複数のモード光を導波するため、光通信用デバイスの導波路としては適していないが、複数のモード光の干渉を巧みに利用することで、光合分波等の機能を付加することができる。この性質のことを、多モード干渉（ＭｕｌｔｉｍｏｄｅＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ、ＭＭＩ）と呼ぶ。

シングルモード導波路は、基本モード光のみを導波する導波路のことであり、光通信用デバイスの導波路としてよく用いられる。導波路の幅は、マルチモード導波路よりも狭い。

どのような素子にも最適となるような導波路構造やコア構造は存在しない。したがって、集積素子全体としての性能を向上させるためには、各素子に適した導波路構造やコア構造を用いることが重要である。

２種類のコア構造のモノリシック集積の手法の１つとして、コア構造の１部分をドライエッチング等により加工し、新たに別のコア構造を、Ｍｅｔａｌ−ＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ（ＭＯＶＰＥ）法やＣｈｅｍｉｃａｌＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ（ＣＢＥ）法等の結晶成長により形成する公知のバットジョイント（ＢＪ）技術がある。

導波路構造については、それぞれが大きく異なる断面形状であるため、導波モードの電界分布も異なっており、直接接続すると、導波モードの電界分布の不整合成分の一部が反射戻り光となる。反射戻り光はレーザの雑音の原因となり、相対的な戻り光量が１０^−６程度ときわめてわずかであっても特性の変化が生じる。具体的には、光出力、発振モード数、発振スペクトル、雑音強度、変調時の応答出力波形が変化する。関連する技術として、ハイメサ導波路構造７２と埋め込み導波路構造７１との境界部（反射境界２２）の導波路幅を、お互いの導波モードの電界分布ができるだけ整合するように調整し、境界近傍の導波路の形状をテーパ状に徐々に変化させることにより、導波モードの急峻な変化を抑え、反射戻り光を抑制する方法が開発されている（図９）。
特開平１１−８７８４４号公報 "ＳｐｏｔｓｉｚｅＣｏｎｖｅｒｔｅｒＷｉｔｈＩｍｐｒｏｖｅｄＤｅｓｉｇｎｆｏｒＩｎＰ−ＢａｓｅｄＤｅｅｐ−ＲｉｄｇｅＷａｖｅｇｕｉｄｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ"，ＭａｓａｋｉＫｏｈｔｏｋｕｅｔａｌ，Ｊ．ＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２３（１２），ｐｐ．４２０７−４２１４，２００５．

しかしながら、非特許文献１および特許文献１に開示された光回路素子には以下の問題がある。

まず第１に、異なる導波路構造同士の接続については、実用上十分な反射率低減に至っていない。この原因は、ハイメサ導波路構造、リブ導波路構造、埋め込み導波路構造がそれぞれ大きく異なる断面構造をもつため、各導波路の導波モードの電界分布を完全に揃えることが設計上困難だからである。また、それぞれの導波路構造が別々の工程で形成されることが多いため、露光等の位置ずれにより境界部の導波路にずれが生じ、これが反射戻り光の原因となることもある。

第２に、異なるコア構造同士を接続するＢＪ技術についても、実用上十分な反射率低減に至っていない。この原因は、高精度なエッチングと結晶再成長技術が必要であるため、形状制御が困難であることに起因する。したがって、ＢＪにおいて反射戻り光が形成されることとなる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、反射戻り光が形成される反射境界が存在する光回路素子において、発生する反射戻り光の素子特性への影響を抑制できる技術を提供することを目的とする。

本発明によれば、第一の多モード干渉カプラと、
前記第一の多モード干渉カプラと対向している第二の多モード干渉カプラと、
前記第一の多モード干渉カプラと前記第二の多モード干渉カプラとの間をそれぞれ接続している第一、二の光導波路と、
を有し、
前記第一の多モード干渉カプラは、
一側に第一ポートと第二ポートとを有し、
他側に第三ポートと第四ポートとを有し、
前記第二の多モード干渉カプラは、
一側に第五ポートと第六ポートとを有し、
他側に第七ポートと第八ポートとを有し、
前記第三ポートと前記第五ポートとが前記第一光導波路を介して接続されており、
前記第四ポートと前記第六ポートとが前記第二光導波路を介して接続されており、
前記第二ポートには第一光吸収部が接続されており、
前記第七ポートには第二光吸収部が接続されており、
前記第三ポートと前記第五ポートとの間および前記第四ポートと前記第六ポートとの間のいずれかに、前記第一の多モード干渉カプラまたは前記第二の多モード干渉カプラを伝搬した光を反射する反射境界が介在している光回路素子
が提供される。

本発明によれば、反射境界で発生した反射戻り光を、光吸収部に導くことにより、反射戻り光の半導体レーザへの影響を抑制することができる。これにより、残留反射を抑制しつつ、各領域に最適な材料、導波路構造、コア構造を配した光集積デバイスを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施の形態の光回路素子１の平面図である。光回路素子１は、２×２ＭＭＩカプラ（第一の多モード干渉カプラ）３０と、２×２ＭＭＩカプラ３０と対向している２×２ＭＭＩカプラ（第二の多モード干渉カプラ）３１と、２×２ＭＭＩカプラ３０と２×２ＭＭＩカプラ３１との間をそれぞれ接続している光導波路３０３（第一の光導波路）と光導波路３０４（第二の光導波路）とを有する。２×２ＭＭＩカプラ３０は、一の端面にポート３２（第一ポート）とポート３３（第二ポート）とを有し、反対側の端面にポート３４（第三ポート）とポート３５（第四ポート）とを有する。２×２ＭＭＩカプラ３１は、一の端面にポート３６（第五ポート）とポート３７（第六ポート）とを有し、反対側の端面にポート３８（第七ポート）とポート３９（第八ポート）とを有する。ポート３４とポート３６とが光導波路３０３を介して接続されており、ポート３５とポート３７とが光導波路３０４を介して接続されている。ポート３３には光導波路３０２が接合しており、光導波路３０２を介してポート３３と光吸収領域２０（第一光吸収部）とが接続されている。ポート３８には光導波路３０５が接合しており、光導波路３０５を介してポート３８と光吸収領域２１（第二光吸収部）とが接続されている。ポート３４とポート３６との間およびポート３５とポート３７との間に、２×２ＭＭＩカプラ３０または２×２ＭＭＩカプラ３１を伝搬した光を反射する反射境界２２が介在している。

換言すると、本実施の形態の光回路素子１の構成は、以下の通りである。２×２ＭＭＩカプラ３０と２×２ＭＭＩカプラ３１とを有し、それぞれの２×２ＭＭＩカプラの向かい合う２つの端面に、それぞれ２つずつポートが接続されている。２×２ＭＭＩカプラ３０の２つの端面のうち、２×２ＭＭＩカプラ３１から遠い方の端面に接続されたポートがポート３２、ポート３３であり、他方の端面に接続されたポートがポート３４、ポート３５である。また、２×２ＭＭＩカプラ３１の２つの端面のうち、２×２ＭＭＩカプラ３０から遠い方の端面に接続されたポートがポート３８、ポート３９であり、他方の端面に接続されたポートがポート３６、ポート３７である。ポート３４とポート３６とは向かい合い接続されており、ポート３５とポート３７とは向かい合い接続されている。ポート３３には光吸収領域２０が接続されており、ポート３８には光吸収領域２１が接続されている。

光回路素子１には、レーザ、光増幅器、光検出器、光変調器、光偏向器、光減衰器、光モード変換器、光周波数変換器、光アイソレーター、フィルタ、光分波器、ビームスプリッター、ビームエキスパンダー、光遅延回路、偏光子、光結合器などが含まれる。光回路素子１は、光の強さ、位相、周波数、偏光状態、進行方向、ビーム径などに種々の操作を与える素子である。

本実施形態において、反射境界２２とは、反射戻り光が形成される領域をいう。図１では、本実施形態の反射境界２２が光導波路３０３および光導波路３０４に介在している例を示すが、反射境界２２は、ポート３４、３５、３６、３７のいずれかに設けられていてもよい。

また、本実施形態において、ポートとは、光の出入り口をいう。換言すると、ポート３２、３３、３４、３５とは、２×２ＭＭＩカプラ３０に光を入出力する端面をいい、ポート３６、３７、３８、３９とは、２×２ＭＭＩカプラ３１に光を入出力する端面をいう。ポート３２には、光導波路３０１が接合しており、ポート３９には、光導波路３０６が接合している。光導波路３０１、３０６を介して外部から２×２ＭＭＩカプラ３０、３１に光が入射されたり、光導波路３０１、３０６を介して２×２ＭＭＩカプラ３０、３１から外部に光が出射されたりする。光導波路３０１、３０６は、たとえば、レーザ、ＬＥＤ、変調器、光スイッチと接続することができる。

光吸収領域２０、２１とは、反射境界２２で形成された反射戻り光を吸収する領域をいう。光吸収領域２０、２１には、バンドギャップエネルギーの大きい層が設けられている。たとえば、光吸収領域２０、２１には、光受信器や光減衰器を設けることができる。

つづいて、光回路素子１の動作について図２を用いつつ説明する。光回路素子１の動作は、外部からポート３２に光を入射する第一モードと外部からポート３９に光を入射する第二モードからなる。

図２（ａ）では、第一モードにおける光回路素子１の動作を示す。外部からポート３２に光が入射すると、２×２ＭＭＩカプラ３０内では光は複数の伝搬モードに分割され、互いの干渉効果により、ポート３４、３５に、等しく強度分配される。但し、それぞれのポートに分配された光にはπ／２の位相差が生じている。一方、反射境界２２からの反射戻り光は、２×２ＭＭＩカプラ３０を再び通過することになるが、結果として、ポート３２、３３の位置まで到達した光の位相関係は、外部から入射したときよりもπ変化する。結果、光が結合するポートはポート３３に切り替わり、光吸収領域２０に導かれ吸収される。

また、反射境界２２を透過した光は、ポート３６およびポート３７を介して２×２ＭＭＩカプラ３１に入射する。２×２ＭＭＩカプラ３１は２×２ＭＭＩカプラ３０と同様に、入力時と出力時のそれぞれのポートにおける光にπ／２の位相差が生じるように設計してある。すると、２×２ＭＭＩカプラ３１に入射した光は、合計２回２×２ＭＭＩカプラを通過することで、ポート３８、３９の位置に到達した光の位相関係は、外部から入射したときよりもπ変化し、結果、光はポート３９に結合する。このとき、透過光はポート３８にはほとんど結合しない。したがって、ポート３６、３７から入力した光のほとんどは、ポート３９から出力することとなる。

図２（ｂ）では、第二モードにおける光回路素子１の動作を示す。外部からポート３９に光が入射すると、２×２ＭＭＩカプラ３１内では光は複数の伝搬モードに分割され、互いの干渉効果により、ポート３６、３７に、等しく強度分配される。但し、それぞれのポートに分配された光にはπ／２の位相差が生じている。一方、反射境界２２からの反射戻り光は、２×２ＭＭＩカプラ３１を再び通過することになるが、結果として、ポート３８、３９の位置まで到達した光の位相関係は、外部から入射したときよりもπ変化する。結果、光が結合するポートはポート３８に切り替わり、光吸収領域２１に導かれ吸収される。

一方、反射境界２２を透過した光は、ポート３４およびポート３５を介して２×２ＭＭＩカプラ３０に入射する。すると、２×２ＭＭＩカプラ３０に入射した光は、合計２回２×２ＭＭＩカプラを通過することで、ポート３２、３３の位置に到達した光の位相関係は、外部から入射したときよりもπ変化し、結果、光はポート３２に結合する。このとき、透過光はポート３３にはほとんど結合しない。したがって、ポート３４、３５から入力した光のほとんどは、ポート３２から出力することとなる。

また、光が２×２ＭＭＩカプラから出射される時の各ポートの光の位相差は、各ポートを介して反射境界にて反射され再び２×２ＭＭＩカプラに入射するときに保存されている必要がある。このためには、２×２ＭＭＩカプラ３０から各光導波路３０３、３０４を介した反射境界２２までの距離と２×２ＭＭＩカプラ３１から各光導波路３０３、３０４を介した反射境界２２までの距離とはほぼ同じにすると好適である。

つづいて、光回路素子１の作用効果について説明する。光回路素子１は、２つの２×２ＭＭＩカプラを互いに対向するように配置し、互いに対向していない面に設けられたポート３３、３８にそれぞれ光吸収領域２０、２１を接続している。こうすることで、ポート３２を介して光を入射する第一モードでは、反射戻り光をポート３３に出力することで光吸収領域２０に吸収させ、透過光をポート３９から出力する。一方、ポート３９を介して光を入射する第二モードでは、反射戻り光をポート３８に出力することで光吸収領域２１に吸収させ、透過光をポート３２から出力させる。したがって、素子内の反射戻り光を局所に集中させて素子内への再入射を防止することができる。

反射戻り光は、半導体レーザの安定動作に悪影響を与える。Ｔｒａｎｓ．ＩＥＩＣＥ，Ｅ７３（１），ｐｐ．７７−８２，１９９０の図８には、反射戻り光の反射率について解析したものが示されている。この図により、半導体レーザより出射した光の１０^−６倍程度以上の光が反射戻り光として再入射したときに、不安定動作の原因となりうることが分かる。

例えば、ＢＪ技術を用いて異なるコア構造同士を接続する場合、エッチングの深さ制御、加工形状が良好であり、結晶再成長の形状に段差等が生じない。そのため、再成長界面に空孔等が発生しない場合は、反射はほぼ無視できる程度となる。しかし、現状のエッチングと結晶再成長技術では、実用上十分な反射率低減には至っておらず、１０^−３倍程度以上の反射が発生することがある。

一方、光回路素子１では、反射境界２２で発生した反射戻り光を光吸収領域２０、２１に導くことにより、反射戻り光の再入射を防ぐことができる。したがって、光回路素子１を導入することで半導体レーザを安定に動作させることができる。

（第２の実施形態）
図３は、本実施の形態の光回路素子２を示す平面図である。光回路素子２は、２×２ＭＭＩカプラ３０と２×２ＭＭＩカプラ３１とが異なる材料で形成されている。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。光回路素子２では、材料４１と材料４２との接合面に反射境界２２が設けられている。本実施形態において、光導波路３０３および光導波路３０４は、それぞれ異なる２つの材料から構成されている。光導波路３０３の材料４１と材料４２との接合面２０１に反射境界２２が設けられ、光導波路３０４の材料４１と材料４２との接合面２０２に反射境界２２が設けられている。接合面２０１、２０２がそれぞれ光を反射する反射面となり、反射戻り光を形成する。

材料４１、４２としては、例えば、石英系材料、Ｓｉ系材料、ＩｎＰ系材料がある。具体的には、ＩｎＰ系材料としてＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ等が例示される。また、Ｓｉ系材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ等が例示される。また、石英系材料としては、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ等が例示される。

光回路素子２においても、第１の実施形態において説明した同様な原理により、反射境界２２で発生した反射戻り光は、光吸収領域２０または光吸収領域２１に導かれ、吸収される。そのため、反射戻り光の半導体レーザに対する影響を抑制しながら、集積するそれぞれの素子に適した材料を用いることができる。したがって、光回路素子２によれば、集積光デバイスの最終性能を向上させることが可能となる。

（第３の実施形態）
図４は、本実施の形態の光回路素子３を示す平面図である。光回路素子３は、２×２ＭＭＩカプラ３０と２×２ＭＭＩカプラ３１とが、異なる導波路構造で形成されている。光回路素子３では、導波路６１と導波路６２との接合面に反射境界２２が設けられている。本実施形態において、光導波路３０３および光導波路３０４は、それぞれ異なる２つの導波路構造から構成されている。光導波路３０３の導波路構造６１と導波路構造６２との接合面２０１に反射境界２２が設けられ、光導波路３０４の導波路構造６１と導波路構造６２との接合面２０２に反射境界２２が設けられている。接合面２０１、２０２がそれぞれ光を反射する反射面となり、反射戻り光を形成する。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

たとえば、導波路構造６１を埋め込み導波路構造とし、導波路構造６２をリブ導波路構造とすることができる。

また、導波路構造６１をリブ導波路構造とし、導波路構造６２をハイメサ導波路構造としてもよい。

また、導波路構造６１を埋め込み導波路構造とし、導波路構造６２をハイメサ導波路構造としてもよい。

光回路素子３においても、第１の実施形態において説明した同様な原理により、反射戻り光は、光吸収領域２０または光吸収領域２１に導かれ、吸収される。そのため、反射戻り光の半導体レーザに対する影響を抑制しながら、集積する素子のそれぞれに適した導波路構造を用いることができる。したがって、光回路素子３によれば、集積光デバイスの最終性能を向上させることが可能となる。

（第４の実施形態）
図５は、本実施の形態の光回路素子４を示す平面図である。光回路素子４は、２×２ＭＭＩカプラ３０のコア構造がアクティブ領域５１で構成され、２×２ＭＭＩカプラ３１のコア構造がパッシブ領域５２で構成されている。光回路素子４では、アクティブ領域５１とパッシブ領域５２との接合面に反射境界２２が設けられている。本実施形態において、光導波路３０３および光導波路３０４は、それぞれ異なるコア構造から構成されている。光導波路３０３のアクティブ領域５１とパッシブ領域５２との接合面２０１に反射境界２２が設けられ、光導波路３０４のアクティブ領域５１とパッシブ領域５２との接合面２０２に反射境界２２が設けられている。接合面２０１、２０２がそれぞれ光を反射する反射面となり、反射戻り光を形成する。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

アクティブ領域５１のコアは、目的の波長での光利得を得るためにバンドギャップエネルギーの小さい層から構成される。一方、パッシブ領域５２のコアは、バンドギャップエネルギーが大きい層から構成される。バンドギャップは層厚、結晶組成比、および結晶組成比に起因する結晶ひずみにより調整できるが、たとえば、アクティブ領域５１をバンドギャップの波長換算値が１．４７〜１．６３μｍのＩｎＧａＡｓＰもしくはＩｎＧａＡｌＡｓといった材料から構成し、パッシブ領域５２をバンドギャップの波長換算値が１．０５〜１．４５μｍのＩｎＧａＡｓＰもしくはＩｎＧａＡｌＡｓといった材料から構成することができる。アクティブ領域５１は、レーザ、ＬＥＤ、光増幅器、フォトディテクタ等とすることができる。一方、パッシブ領域５２は、変調器、光フィルタ等とすることができる。

このように、本実施形態では、２×２ＭＭＩカプラ３０と２×２ＭＭＩカプラ３１とを別々のコア構造を用いた構成とする。そのため、別々のコア構造の接合部は反射境界２２となりうるが、第１の実施形態で説明したように、外部からポート３２に光を入射したとき、反射戻り光は光吸収領域２０に吸収され、外部からポート３９に光を入射したとき、反射戻り光は、光吸収領域２１に吸収される。そのため、反射戻り光の半導体レーザに対する影響を抑制しながら、集積するそれぞれの素子に適した材料を用いることができる。したがって、光回路素子４によれば、集積光デバイスの最終性能を向上させることが可能となる。

（第５の実施形態）
図６は、本実施の形態の光回路素子５を示す平面図である。光回路素子５は、光導波路３０１を介してポート３２に利得領域８１を接続し、光導波路３０６を介してポート３９に変調器８２を接続する。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

光回路素子５では、光回路素子２のように、２×２ＭＭＩカプラ３０と２×２ＭＭＩカプラ３１とが、異なる材料で形成されていてもよい。用いる材料としては、例えば、石英系材料、Ｓｉ系材料、ＩｎＰ系材料がある。

光回路素子５では、光回路素子３のように、２×２ＭＭＩカプラ３０と２×２ＭＭＩカプラ３１とが、異なる構造で形成されていてもよい。たとえば、２×２ＭＭＩカプラ３０を埋め込み導波路構造とし、２×２ＭＭＩカプラ３１をリブ導波路構造とすることができる。また、２×２ＭＭＩカプラ３０をリブ導波路構造とし、２×２ＭＭＩカプラ３１をハイメサ導波路構造としてもよい。また、２×２ＭＭＩカプラ３０を埋め込み導波路構造とし、２×２ＭＭＩカプラ３１をハイメサ導波路構造としてもよい。

光回路素子５では、光回路素子４のように、２×２ＭＭＩカプラ３０と２×２ＭＭＩカプラ３１とが、異なるコア構造で形成されていてもよい。すなわち、２×２ＭＭＩカプラ３０のコア構造がアクティブ領域で構成され、２×２ＭＭＩカプラ３１のコア構造がパッシブ領域で構成されていてもよい。

本実施形態では、ポート３２に利得領域８１を接続し、ポート３９に変調器８２が配された構成としている。こうすることによって、複数の要素で構成された集積レーザの共振器の内部における反射戻り光を低減させることが可能となる。レーザ内部での反射戻り光も、外部からの反射戻り光と同様にレーザの不安定動作の要因となる。したがって、レーザの内部における反射戻り光を低減させることで、レーザの発振動作が安定し、集積光デバイスの最終性能が向上する。

また、本実施形態では、光を発生する利得領域（レーザやＳＯＡ）が設けられており、発生する光のパワーは一定の場合と、時間的に変化する場合とがあり、発生する光の波長は目的に応じて設計により変更可能である。さらに、本実施形態では、変調器または波長可変フィルタが設けられており、それらの消光特性や反射率は波長に依存する。

また、通常、利得領域および変調器を組み合わせた光集積素子（変調器集積レーザ）では、素子全体で扱う偏光状態はＴＥモード光またはＴＭモード光のいずれか一方である。したがって、本実施形態を構成する２つの光吸収領域は、少なくとも一方の共通の偏光状態の光を吸収させることが必要である。

一方、本実施形態の光回路素子５では、構成要素である利得領域８１において発生する光も、光回路素子の外部から入射する光も、反射境界２２で形成された反射戻り光を光吸収領域に２０、２１に吸収させることができる。また、光回路素子５で扱う偏光状態がＴＥモード光およびＴＭモード光のいずれであっても、光吸収領域２０、２１に吸収させることができる。したがって、光回路素子５によれば、素子内部の反射戻り光を低減し、レーザの発振動作を安定させることが可能となる。

なお、本実施の形態において、変調器８２に変えて波長可変フィルタを接続してもよい。利得領域８１と波長可変フィルタとを含んだ集積レーザとすることで、光回路素子５によれば、レーザ内部における反射戻り光を低減することができる。したがって、半導体レーザの動作を安定にすることが可能になる。

（第６の実施形態）
図７は、本実施の形態の光回路素子６を示す平面図である。本実施形態において反射境界２２、２３が接着剤からなる接着層２４に設けられている。

具体的には、光回路素子６は、光回路素子２のように、２×２ＭＭＩカプラ３０と２×２ＭＭＩカプラ３１とが異なる材料４１、４２で形成されている。そして、材料４１と材料４２の接合部に接着剤を用いており、これにより接着層２４が形成されている。また、光導波路３０３および光導波路３０４は、それぞれ異なる材料４１、４２から構成され、材料４１と材料４２の接続部に接着層２４が形成されている。材料４１からなる光導波路３０３、３０４と接着層２４との接合面２０１ａ、２０２ａがそれぞれ２×２ＭＭＩカプラ３０を伝搬した光を反射する反射面となり、材料４２からなる光導波路３０３、３０４と接着層２４との接合面２０１ｂ、２０２ｂがそれぞれ２×２ＭＭＩカプラ３１を伝搬した光を反射する反射面となる。したがって、接合面２０１ａ、２０２ａに反射境界２２が設けられ、接合面２０１ｂ、２０２ｂに反射境界２３が設けられている。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

材料４１、４２としては、例えば、石英系材料、Ｓｉ系材料、ＩｎＰ系材料がある。

接着層２４を形成する接着剤の材料として、それぞれの材料の中間の屈折率をもつものを使用する。こうすることによって、屈折率が大きく異なる材料同士を結合する場合に、反射境界２２および反射境界２３で発生する反射戻り光を抑制することができ、光集積デバイスの損失を低減させることができる。

なお、光回路素子６では、光回路素子３のように、２×２ＭＭＩカプラ３０と２×２ＭＭＩカプラ３１とが、異なる構造で形成されていてもよい。このとき、異なる構造の接合部に接着層２４が形成されることとなる。たとえば、２×２ＭＭＩカプラ３０を埋め込み導波路構造とし、２×２ＭＭＩカプラ３１をリブ導波路構造とすることができる。また、２×２ＭＭＩカプラ３０をリブ導波路構造とし、２×２ＭＭＩカプラ３１をハイメサ導波路構造としてもよい。また、２×２ＭＭＩカプラ３０を埋め込み導波路構造とし、２×２ＭＭＩカプラ３１をハイメサ導波路構造としてもよい。

また、光回路素子５では、光回路素子４のように、２×２ＭＭＩカプラ３０と２×２ＭＭＩカプラ３１とが、異なるコア構造で形成されていてもよい。すなわち、２×２ＭＭＩカプラ３０のコア構造がアクティブ領域で構成され、２×２ＭＭＩカプラ３１のコア構造がパッシブ領域で構成されていてもよい。このとき、アクティブ領域とパッシブ領域との接合部に接着層２４が形成されることとなる。

以上のように、本発明では、２×２ＭＭＩカプラ３０は、２×２ＭＭＩカプラ３０の第一の入射ポート（ポート３２）から入射した光が２×２ＭＭＩカプラ３０の第一の出射ポート（ポート３４）および第二の出射ポート（ポート３５）に等しく強度分配される。反射境界２２からの反射戻り光は、２×２ＭＭＩカプラ３０を２回通過することにより、光結合器の光の干渉性から、２×２ＭＭＩカプラ３０の第二の入射ポート（ポート３３）に結合し、光吸収領域２１に導かれ吸収される。結果として、２×２ＭＭＩカプラ３０の第一の入射ポート（ポート３２）を介した反射戻り光は抑制され、半導体レーザの安定動作を可能とする。これにより、各領域に最適な導波路構造、コア構造を配した光集積デバイスを実現できる新規な素子構造を提供することができる。

本発明の活用例として、幹線系、アクセス系に使用される波長多重通信用の中長距離光源が挙げられる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

たとえば、本発明は、以下の態様も適用可能である。
（１）光を伝搬させる光回路素子において、
第１の２×２多モード干渉（ＭＭＩ）カプラ（以下２×２ＭＭＩカプラ）と第２の２×２ＭＭＩカプラを有し、
第１の２×２ＭＭＩカプラには、１方にポート１およびポート２を有し、反対側にポート３およびポート４を有し、
第２の２×２ＭＭＩカプラには、１方にポート５およびポート６を有し、反対側にポート７およびポート８を有し、
ポート３とポート５は向かい合い接続されており、ポート４とポート６は向かい合い接続されており、
ポート２には光吸収領域１が接続されており、ポート７には光吸収領域２が接続されていることを特徴とする。
（２）（１）に記載の光回路素子において、ポート３およびポート４の位置からポート５およびポート６の位置の間の
いずれかの位置において反射境界を有しており、
前記範囲には、各々のポートの付け根の位置も含まれていることを特徴とする光回路素子。
（３）（２）に記載の光回路素子において、第１の２×２ＭＭＩカプラと第２の２×２ＭＭＩカプラとが異なる材料で形成されていることを特徴とする光回路素子。
（４）（２）に記載の光回路素子において、第１の２×２ＭＭＩカプラと第２の２×２ＭＭＩカプラとが、異なる構造で形成されていることを特徴とする光回路素子。
（５）（１）〜（４）に記載の光回路素子において、第１の２×２ＭＭＩカプラと第２の２×２ＭＭＩカプラとが、異なる材料あるいは異なる構造で形成されており、片端に利得領域が接続されており、もう片端に変調器あるいは波長可変フィルタが接続されていることを特徴とする光回路素子。
（６）（１）〜（５）に記載の光回路素子において、第１の２×２ＭＭＩカプラのコア構造がアクティブ領域で構成され、第２の２×２ＭＭＩカプラのコア構造がパッシブ領域で構成されていることを特徴とする光回路素子。
（７）（１）〜（５）に記載の光回路素子において、第１の２×２ＭＭＩカプラが埋め込み導波路構造で構成され、第２の２×２ＭＭＩカプラがリブ導波路構造で構成されていることを特徴とする光回路素子。
（８）（１）〜（５）に記載の光回路素子において、第１の２×２ＭＭＩカプラがリブ導波路構造で構成され、第２の２×２ＭＭＩカプラがハイメサ導波路構造で構成されていることを特徴とする光回路素子。
（９）（１）〜（５）に記載の光回路素子において、第１の２×２ＭＭＩカプラが埋め込み導波路構造で構成され、第２の２×２ＭＭＩカプラがハイメサ導波路構造で構成されていることを特徴とする光回路素子。
（１０）（１）〜（９）に記載の光回路素子において、反射境界は材料の境界の接合部には接着剤を用いていることを特徴とする光回路素子。

なお、当然ながら、上述した実施の形態および複数の変形例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態および変形例では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本発明を満足する範囲で各種に変更することができる。

第１の実施形態の光回路素子を示す平面図である。第１の実施形態の光回路素子の動作を示す図である。第２の実施形態の光回路素子を示す平面図である。第３の実施形態の光回路素子を示す平面図である。第４の実施形態の光回路素子を示す平面図である。第５の実施形態の光回路素子を示す平面図である。第６の実施形態の光回路素子を示す平面図である。導波路構造を示す模式図である。関連する導波路構造を示す模式図である。

符号の説明

１光回路素子
２光回路素子
３光回路素子
４光回路素子
５光回路素子
６光回路素子
１０基板
１１クラッド
１２コア
２０光吸収領域
２１光吸収領域
２２反射境界
２３反射境界
２４接着層
３０２×２ＭＭＩカプラ
３１２×２ＭＭＩカプラ
３２ポート
３３ポート
３４ポート
３５ポート
３６ポート
３７ポート
３８ポート
３９ポート
４１材料
４２材料
５１アクティブ領域
５２パッシブ領域
６１導波路構造
６２導波路構造
７１埋込導波路構造
７２ハイメサ導波路構造
８１利得領域
８２変調器
２０１接合面
２０１ａ接合面
２０１ｂ接合面
２０２接合面
２０２ａ接合面
２０２ｂ接合面
３０１光導波路
３０２光導波路
３０３光導波路
３０４光導波路
３０５光導波路
３０６光導波路

Claims

第一の多モード干渉カプラと、
前記第一の多モード干渉カプラと対向している第二の多モード干渉カプラと、
前記第一の多モード干渉カプラと前記第二の多モード干渉カプラとの間をそれぞれ接続している第一、二の光導波路と、
を有し、
前記第一の多モード干渉カプラは、
一側に第一ポートと第二ポートとを有し、
他側に第三ポートと第四ポートとを有し、
前記第一ポートに光が入射すると、当該光は前記第三ポートと前記第四ポートとに等しい強度で分配され、かつ、前記第四ポートに分配された当該光は、前記第三ポートに分配された当該光に対して、π／２の位相差が生じ、
前記第三ポートに光が入射すると、当該光は前記第一ポートと前記第二ポートとに等しい強度で分配され、かつ、前記第二ポートに分配された当該光は、前記第一ポートに分配された当該光に対して、π／２の位相差が生じ、
前記第四ポートに光が入射すると、当該光は前記第一ポートと前記第二ポートとに等しい強度で分配され、かつ、前記第一ポートに分配された当該光は、前記第二ポートに分配された当該光に対して、π／２の位相差が生じ、
前記第二の多モード干渉カプラは、
一側に第五ポートと第六ポートとを有し、
他側に第七ポートと第八ポートとを有し、
前記第五ポートに光が入射すると、当該光は前記第七ポートと前記第八ポートとに等しい強度で分配され、かつ、前記第八ポートに分配された当該光は、前記第七ポートに分配された当該光に対して、π／２の位相差が生じ、
前記第六ポートに光が入射すると、当該光は前記第七ポートと前記第八ポートとに等しい強度で分配され、かつ、前記第七ポートに分配された当該光は、前記第八ポートに分配された当該光に対して、π／２の位相差が生じ、
前記第八ポートに光が入射すると、当該光は前記第五ポートと前記第六ポートとに等しい強度で分配され、かつ、前記第五ポートに分配された当該光は、前記第六ポートに分配された当該光に対して、π／２の位相差が生じ、
前記第三ポートと前記第五ポートとが前記第一光導波路を介して接続されており、
前記第四ポートと前記第六ポートとが前記第二光導波路を介して接続されており、
前記第二ポートには第一光吸収部が接続されており、
前記第七ポートには第二光吸収部が接続されており、
前記第三ポートと前記第五ポートとの間および前記第四ポートと前記第六ポートとの間に、前記第一の多モード干渉カプラまたは前記第二の多モード干渉カプラを伝搬した光を反射する反射境界が介在している光回路素子。
前記反射境界は、前記第一光導波路および前記第二光導波路に介在している請求項１に記載の光回路素子。
前記第一の多モード干渉カプラと前記第二の多モード干渉カプラとが異なる材料で形成されている請求項１または２に記載の光回路素子。
前記反射境界が接着剤からなる層に設けられている請求項１乃至３いずれかに記載の光回路素子。
前記第一の多モード干渉カプラと前記第二の多モード干渉カプラとが異なる構造で形成されている請求項１乃至４いずれかに記載の光回路素子。
前記第一の多モード干渉カプラが埋め込み導波路構造で構成され、前記第二の多モード干渉カプラがリブ導波路構造で構成されている請求項５に記載の光回路素子。
前記第一の多モード干渉カプラがリブ導波路構造で構成され、前記第二の多モード干渉カプラがハイメサ導波路構造で構成されている請求項５に記載の光回路素子。
前記第一の多モード干渉カプラが埋め込み導波路構造で構成され、前記第二の多モード干渉カプラがハイメサ導波路構造で構成されている請求項５に記載の光回路素子。
前記第一の多モード干渉カプラのコア構造がアクティブ領域で構成され、前記第二の多モード干渉カプラのコア構造がパッシブ領域で構成されている請求項５乃至８いずれかに記載の光回路素子。
前記第一ポートに利得領域を接続し、前記第八ポートに変調器または波長可変フィルタを接続している請求項５乃至９いずれかに記載の光回路素子。