JPH0694931A - 光導波路デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多方向に伝搬、出射可能な偏光分離機能を有
する光導波路デバイスを提供すること、並びにそのコン
パクト化を図り、かつ製造工程を簡素化し、さらにこれ
を利用する光集積回路をさらにコンパクト化すること。 【構成】 ダブルモード導波路とそこから分岐した二本
の導波路等を備え、偏光分離機能を有する光導波路デバ
イスにおいて、前記分離された光信号が伝搬する導波路
に、導波路層の端面を反射面とする光反射ミラーと、該
光反射ミラーにより反射された光信号を伝搬する導波路
と、が設けられているもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、偏光分離機能を有する
光導波路デバイスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から光導波路デバイスにおいて、完
全結合長を有するダブルモード導波路とそこから分岐さ
せたシングルモード導波路を利用して、導波路を伝搬し
てきた光信号を変更面の異なる光に分離する、いわゆる
変更分離機能を有する光導波路デバイスが注目されてい
る。また、ダブルモード導波路を用いない場合でも、二
本のシングルモード導波路を所定の間隔で近接させて設
ける方向性結合器型のデバイスとすることで同様な機能
を有することが知られている。

【０００３】ここで、ＧａＡｓ系をはじめとする半導体
光導波路デバイスにおいて、導波路層にエッチング処理
を施すことにより形成されたエッチング面でミラーを構
成し、導波路中を伝搬してきた光信号をこのミラーによ
って反射させ所望の方向へ光を導くことが試みられてい
る。更に、このエッチングミラーを応用する事でコンパ
クトな光ビームスプリッターを作製した事例が、エレク
トロニクス・レターズに掲載されている。(Oshinski e
t.al. 'Mianiture integrated optical beam-splitter
in AlGaAs/GaAs ridge waveguides' ELECTRONICS LETT
ERS vol.23 No.21 p1156 1987)

【０００４】この事例を図１０を用いて説明する。個々
では、図に示すように、基板１１０上にＧａＡｓ／Ａｌ
ＧａＡｓリッジ型シングルモード導波路１１１，１１
３，１１４，１１５が、互いに直交するように十文字状
に構成されている。そして、これらの各導波路の交差部
分の中央部に、幅１μｍ以内の細い溝１１８を個々の導
波路の形成方向と４５度の角度をなすように形成する。
この溝１１８は、導波路層を反応性イオンエッチング法
でエッチングすることで形成されている。そして、この
エッチング面（エッチングにより形成された端面）が、
導波路を伝搬する光に対して反射ミラーを形成すること
となる。

【０００５】上記事例では、この溝１１８の深さを、Ｇ
ａＡｓ導波路層の途中で止めているため、図中からの
入射光Ｐｉは、導波路１１１を伝搬してきて交差部に到
達し、溝１１８によるエッチングミラーで反射される光
Ｐｒと、溝１１８の下を通り抜けていく光Ｐｔに分配さ
れる。そして、光Ｐｒは導波路１１３を伝搬し、光Ｐｔ
は導波路１１４を伝搬して各々出射端とへ導かれ
る。この方法により、所謂Ｙ分岐導波路を用いずにコン
パクトサイズのビームスプリッターが構成されることと
なる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図１０の事
例においては、入射光を単純に二分割する光パワースプ
リッターであって、入射光を偏光面の異なる光、例えば
TEモードとTMモードに分離することは不可能である。

【０００７】また、従来のようにいわゆるＹ分岐導波路
を用いた偏光ビームスプリッターでは、分岐後の導波路
の間隔や互いの角度等の条件に制約が多いため、製造工
程が精密かつ複雑であり、所定の設計条件を満足する様
な特性が得られず、偏光分離機能を有する導波路デバイ
スの歩留が低い問題となっている。

【０００８】更に、分離後の各々の偏光面の異なる光信
号を独立して取り出す場合には、互いに別個の検出系を
必要とするが、従来のＹ分岐導波路では相互の分岐導波
路のデバイス上の配置条件と検出系の特に検出部のサイ
ズとの問題から、Ｙ分岐後の導波路にある程度の長さが
必要であり、これがこの種の導波路デバイスの小型化を
制限するものとなっていた。

【０００９】更に、検出系の小型化をも必要となるた
め、このような導波路デバイスを用いた光集積回路に対
しても検出系の小型化を必要とするので、光集積回路の
コストアップや小型化の制約の問題も生じていた。

【００１０】そこで、本発明ではこのような問題を解決
しようと意図したもので、ＴＥ−ＴＭモードスプリッタ
ー並びにそれを利用する光集積回路をさらにコンパクト
化すると共に、多方向にも伝搬、出射可能で、かつ製造
工程を簡素化できる偏光分離機能を有する光導波路デバ
イスをを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため請求
項１に記載した発明では、ダブルモード導波路とそこか
ら分岐した二本の導波路、もしくは互いに近接させた二
本のシングルモード導波路を備え、導波路中を伝搬して
きた光信号を偏光面の異なる光信号に分離する機能を有
する光導波路デバイスにおいて、前記分離された光信号
が伝搬する導波路の少なくとも一方に、導波路層の端面
を反射面とする光反射ミラーと、該光反射ミラーにより
反射された光信号を伝搬する導波路と、が設けられてい
ることを特徴とする光導波路デバイスを提供する。

【００１２】また、請求項２に記載した発明は、請求項
１に記載した発明にかかる光導波路デバイスにおいて、
前記光反射ミラーが導波路層を伝搬する光信号の一部分
のみを反射するものであり、該反射ミラーにより反射さ
れた光信号を伝搬する導波路と、該反射ミラーにより反
射されなかった残りの光信号が伝搬する導波路とが別個
に設けられていることを特徴とするものである。

【００１３】

【作用】上記の様に本発明では、いわゆる偏光ビームス
プリッターにより分離される一方の偏光面を有する光信
号を、光反射ミラーにより反射させて伝搬方向を変換
し、当該反射方向に設けられた導波路に導くものとなっ
ている。ここで、偏光面の異なる光に分離する手段は、
従来のＴＥ−ＴＭモードスプリッターの機能を有するも
のであれば良い。

【００１４】例えば、シングルモード導波路の終端に完
全結合長（もしくはそれより長い）のダブルモード導波
路を接続してＴＥ−ＴＭモードスプリッターとしたもの
や、シングルモード導波路を二本近設させることで方向
性結合器型のＴＥ−ＴＭモードスプリッターを形成した
もののいずれを用いてもよい。そして、前者の場合には
ダブルモード導波路からの出力端に接続されるの分岐導
波路層に、後者の場合には偏光分離後の光信号が各々伝
搬するシングルモード導波路層に、光反射ミラーを設け
ることとなる。

【００１５】この光反射ミラーは、導波路層に対して光
信号の伝搬方向に投映面を有するような端面を形成し、
該端面を光反射ミラーとして伝搬する光信号を反射させ
るものであれば良く、例えば導波路層を反応性イオンエ
ッチング法でエッチングすることににより形成される端
面を利用するものが考えられる。

【００１６】そして、この光反射ミラーにより反射され
た光信号が伝搬する方向に導波路を設けておくことで、
反射光信号が当該導波路に導かれることとなり、当該デ
バイスにおいて偏光面の異なる光信号への分離が行われ
る。

【００１７】即ち、前者を例にとって説明すると、シン
グルモード導波路を伝搬してきた光信号は、完全結合長
（もしくはそれより長い）のダブルモード導波路を通る
ことによってその終端では、互いに偏光面の異なるＴＥ
モードとＴＭモードの光信号に分離される。ここで、ダ
ブルモード導波路の終端では、例えば導波路中の進行方
向右半分にＴＭモード成分を集中させ、左半分にはＴＥ
モード成分を集中させることができる。このため、仮に
ダブルモード導波路の終端部の左半分に光反射ミラーが
あれば、ＴＥモードの光信号のみがこの光反射ミラーで
反射されて所望の方向へと導かれる。

【００１８】この光反射ミラーは、上記のようなダブル
モード導波路を利用するものにあってはその終端部近
傍、即ち分岐される導波路の開始部の近傍の位置か、当
該導波路のいずれかの部分に形成すれば良い。

【００１９】一方、二本のシングルモード導波路を利用
するものにあっては、一本のシングルモード導波路に入
射された光が、他のシングルモード導波路と近設してい
る部分を通ることによりＴＥモード光とＴＭモード光に
分離され、ＴＥモード光のみ（もしくは、ＴＭモード光
のみ）を入射導波路とは異なるシングルモード導波路に
移行することができる。このため、両者を近傍させた位
置以降（ＴＥモードとＴＭモードの光信号に分離される
位置近傍以降）の位置に光反射ミラーを設ければ良い。

【００２０】なお、この光反射ミラーは、当該デバイス
の用途や設計条件に応じ、偏光面の異なる光信号に分離
された光信号の伝搬する導波路のいずれか一方か、もし
くは双方に設けることも可能である。

【００２１】次に、請求項２に記載の発明では、前記光
反射ミラーが導波路層を伝搬する光信号の一部分のみを
反射するものとなっており、さらに該反射ミラーにより
反射された光信号を伝搬する導波路と、該反射ミラーに
より反射されなかった残りの光信号が伝搬する導波路と
が別個に設けられている。このため、偏光面の異なる光
に分離された後の光信号（例えばＴＭモードの光信号）
を、さらに分離して二方向に出力する。

【００２２】この場合の光反射ミラーは、導波路層にお
ける光信号の伝搬方向に対する投映面が導波路層全体の
断面積の一部を占めるように構成されていれば良い。例
えば、前述して先行事例のように反応性イオンエッチン
グ法でエッチングする際のエッチング深さを導波路層の
半分程度で止めた場合、当該導波路層の上半分を伝搬す
る光信号は、当該エッチング面からなる光反射ミラーに
より反射されるが、した半分ではそのまま通過する。こ
のため、例えばＴＭモード光のみに分離された光信号が
更に二つに分割されることとなる。

【００２３】

【実施例】以下、実施例を通じ本発明を更に詳しく説明
する。まず、本発明の第１の実施例を図１を用いて説明
する。この第一実施例では、基板１０の表面に、シング
ルモード導波路１１、ダブルモード導波路１２、導波路
１３並びに導波路１５が設けられている。そして、ダブ
ルモード導波路１２から導波路１３へ接続部（ダブルモ
ード導波路１２の左半分だけ）には、ダブルモード導波
路１２の伝搬方向に対して４５度の傾きを有するミラー
２０が設けられており、導波路１３はダブルモード導波
路１２の伝搬方向に対して９０度の方向に設けられてい
る。

【００２４】このミラー２０は、導波路１３の導波路層
をエッチング処理して得られたエッチング端面からなる
ものであり、導波路層の全てに達する深さまでエッチン
グを施しており、ミラー２０の導波路１３の導入部への
投映面積がこれをすべてカバーするように構成されてい
る。

【００２５】以下、本実施例の動作を説明する。シング
ルモード導波路１１に入射した光は、ダブルモード導波
路１２を通っていくと、導波路構造の複屈折性による完
全結合長の違いからＴＥモード（導波路基板と平行な光
成分）とＴＭモード（基板と垂直な光成分）とに分離さ
れていく。例えば、ダブルモード導波路１２の長さを完
全結合長よりも長くとれば、その終端においてＴＥモー
ドを導波路の進行方向左に集中させてＴＭモードを右側
に集中させることができる。

【００２６】そして、この第一実施例では、ダブルモー
ド導波路１２で分離されたＴＥモード成分光が左半分に
週徴しているのでそのままミラー２０に入射し、ここで
反射されたＴＥモード光は導波路１３に導かれる。一
方、右半分に集中したＴＭモード光は導波路１５に導か
れて、偏光面が異なる各々の光に分離されて各々の導波
路に伝搬される。

【００２７】このように、本実施例では光反射ミラーを
用いているので、小さなスペースで急角度にモード成分
の分離が行える利点を有しており、アレイ化にも適して
いる。

【００２８】なお、偏光分離された各々の光を反射ミラ
ーを用いて別々に導くものとしては、図２に示す第２実
施例や図３に示す第３実施例が挙げられる。図２に示す
第２実施例では、ダブルモード導波路１２で分離された
ＴＥモード成分光並びにＴＭモード成分光が、各々ミラ
ー２１並びにミラー２２により反射され、導波路１３並
びに導波路１５に導かれるものとなっている。

【００２９】一方、図３に示す第３実施例では、二本の
シングルモード導波路２５，２６を互いに近接させて方
向性結合器としたものであり、近接させた部分の長さと
間隔を適当に選ぶことにより、シングルモード導波路２
５に入射した光のＴＥモード成分が方向性結合器の終端
でもう１本のシングルモード導波路２６に移行させるこ
とができる。そして、このような方向性結合器の終端
に、前記実施例同様にエッチング処理により形成された
ミラー２３並びにミラー２４を設けることで、ＴＥモー
ド光は導波路１３ａに、ＴＭモード光は導波路１５ａに
各々分離されて導かれる。

【００３０】なお、前述したダブルモード導波路の光路
長や、方向性結合器の設定条件を変えることで、分離さ
れるＴＥ−ＴＭモードを逆にすることも可能である。ま
た、反射ミラーの設置角度やそれに接続される導波路の
延設方向も、本実施例の角度関係に限定されるものでは
ない。

【００３１】次に、本発明の第４の実施例を図４及び図
５を用いて説明する。この実施例では、基板１０にシン
グルモード導波路１１とダブルモード導波路１２を設
け、さらにダブルモード導波路１２の終端にはシングル
モード導波路１３，１４，１５１５が連設されている。
ここで、導波路１３はダブルモード導波路１２と直交す
るように、導波路１４と導波路１５とは所謂Ｙ分岐をな
すように接続する。

【００３２】そして、導波路１３及び導波路１４とダブ
ルモード導波路１２と接続部（ダブルモード導波路１２
の左半分）には、反射ミラー１８が設けられている。こ
の反射ミラー１８は、導波路層をハーフエッチングする
ことにより形成された溝の端面で構成されている。

【００３３】即ち、導波路層の当該部分に対して、例え
ばReactive-Ion-Beam-Etching 等のドライエッチングを
用い、ダブルモード導波路の左半分だけに伝搬方向と45
°の角度をなして、充分細く、なおかつ深さが導波路層
のおよそ半分となるような溝を形成する。この状態を図
５を用いて説明すると、仮に、導波路構造が所謂リッジ
型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ導波路とした場合、図４中に
おけるア−イの断面は図５（Ａ）に示す状態であるが、
ウ−エの断面は図５（Ｂ）の状態となり、導波路層に対
して深さが半分となる溝がエッチングで形成されてい
る。

【００３４】以下、本実施例の動作を説明する。前述し
た実施例と同様に、シングルモード導波路１１に入射し
た光は、ダブルモード導波路１２を通っていくと、ＴＥ
モードとＴＭモードとに分離され、例えばダブルモード
導波路１２の終端においてＴＥモードを導波路の進行方
向左に集中させ、ＴＭモードを右側に集中させる。

【００３５】そして、この終端部分にエッチング溝を設
けると、ダブルモード導波路１２を通ってきた光のＴＥ
モード成分はエッチング溝の端面で構成されるミラー１
８方向に集中する。ここで、導波路材質（ＧａＡｓ等）
とエッチング溝の空気との界面（端面）が反射ミラーと
なり、ＴＥモード光のうちミラー１８に入射した部分
（上半分の部分）はここで反射されてシングルモード導
波路１３へと導かれる。また、エッチング溝は導波路層
の途中までなのでＴＥモード光の一部分（下半分）はミ
ラー１８に当たらずに、ミラー１８（エッチング溝）の
下をくぐり抜けシングルモード導波路１４へと伝搬して
いくこととなる。

【００３６】一方、ダブルモード導波路１２で分離され
たＴＭモード成分光は、その終端付近で右半分に集中し
ているため、ミラー１８の右側を通り抜け、シングルモ
ード導波路１５へと伝搬していく。したがって、この実
施例にかかる導波路デバイスでは、入射光をＴＥモード
２方向、ＴＭモード１方向に分離して伝搬させるモード
スプリッターの働きをする。

【００３７】なお、ダブルモード導波路１２の長さを選
ぶことによって、ＴＭモード光をシングルモード導波路
１３と１４に、ＴＥモード光を導波路１５に伝搬させる
こともできる。また、図７に示す第５の実施例のよう
に、エッチング溝を「く」の字型にして導波層の途中の
深さまで形成し、導波路１３〜１６を図のように形成す
れば、シングルモード導波路１１に入射した光は、ＴＥ
モード成分光が導波路１３と１４に、ＴＭモード成分光
が導波路１５と１６に各々分離分割されて伝搬していく
ものとなる。

【００３８】また、図８に示す第６の実施例のように、
シングルモード導波路を２本近設させ方向性結合器とし
たものを応用したものにおいても、方向性結合器の終端
に上記実施例同様の方法で、導波路層の半分の深さのエ
ッチング溝からなる反射ミラー１８ｂ，１８ｃを形成
し、更に、導波路１３ｂ〜１６ｂを図のように形成する
ことで、ＴＥモード光は導波路１３と１４に、ＴＭモー
ド光は導波路１５と１６に各々分離分割されて伝搬する
ものとなる。

【００３９】ここで、以上説明した導波路の断面構造に
ついては、リッジ型だけでなく図６（Ａ）に示すような
装荷型や、図６（Ｂ）に示すような埋め込み型にも適用
可能であり、またこの３つのタイプはここで説明する実
施例のいずれにも同様に適用できる。そして、エッチン
グ溝は、いずれも導波層（ＧａＡｓ等によるコア層）の
すべてか、あるいは途中までの深さ及ぶように施せばよ
い。

【００４０】また、図９に示す第７の実施例のように、
屈折率制御用の電極をダブルモード導波路１２上に設け
て能動素子としたものを形成することも考えられる。こ
のような屈折率制御用電極を付与することは、いままで
述べてきた全ての実施例に対して適用することができる
が、以下に詳しく説明する。

【００４１】まず、この実施例の場合には、導波路層材
料にはガリウムヒ素系（ＧａＡｓ）、インジウム燐系
（ＩｎＰ）等の電気光学効果をもつ半導体を用いる。な
お、図９においては＜００１＞基板を用い、伝搬方向に
＜１１０＞方向を想定している。また、図中２つの電極
は電気的に絶縁されており、電極４１には逆バイアス電
圧が印加され、電極４２には電流が注入される構造にな
っている。

【００４２】本実施例の動作を説明すると、上記の結晶
方位の場合、ダブルモード導波路１２上の電極４１に逆
バイアス電圧を加えると、導波路中を伝搬するＴＥモー
ド光に対してのみ大きな屈折率変化が生じ、ＴＭモード
光に対してはほとんど屈折率変化が生じない。従って、
この電圧印加の利用によって、ＴＥ−ＴＭモードの分離
が、より短いダブルモード導波路長でおこなうことが可
能である。

【００４３】一方、電極４２に電流を注入するとＴＥ−
ＴＭ両モード光の屈折率が共に変化する。従って、この
電流注入によりＴＥモード光とＴＭモード光との分離後
の伝搬方向を切り替えるスイッチング可能である。例え
ば、電流注入無しの時にＴＥモード光が導波路１３，１
４に、ＴＭモード光が導波路１５，１６へと伝搬してい
たものが、電流を注入することでＴＥモード光を導波路
１５，１６へ、ＴＥモード光を導波路１３，１４へと切
り替えることができる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明にかかる光導
波路デバイスによれば、精密なＹ字分岐を設けなくて
も、偏光分離後の光信号を伝搬する導波路が容易に形成
できる利点があり、この種の偏光分離機能を有する光導
波路デバイスの製造の歩留が向上する。

【００４５】更に、偏光分離した光信号を多方向に伝
搬、出射可能であり、しかもこれらをコンパクトにまと
めることができる利点がある。このため、光集積回路等
にアレイ化しやすいＴＥ−ＴＭモードスプリッターが供
給できる。

【００４６】また、これらの光信号の検出系に関して
も、分離後の光成分が互いに別方向から取り出すことが
可能であり、光集積回路への応用が容易となる利点もあ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例にかかる光導波路デバイ
スを示す説明図である。

【図２】本発明の第２の実施例にかかる光導波路デバイ
スを示す説明図である。

【図３】本発明の第３の実施例にかかる光導波路デバイ
スを示す説明図である。

【図４】本発明の第４の実施例にかかる光導波路デバイ
スを示す説明図である。

【図５】本発明の第４の実施例にかかる光導波路デバイ
スの部分断面図であり、（Ａ）は図４のア−イ線、
（Ｂ）は図４ウ−エ線の断面を示す。

【図６】光導波路デバイスの導波路層の構造を示す説明
図である。

【図７】本発明の第５の実施例にかかる光導波路デバイ
スを示す説明図である。

【図８】本発明の第６の実施例にかかる光導波路デバイ
スを示す説明図である。

【図９】本発明の第７の実施例にかかる光導波路デバイ
スを示す説明図である。

【図１０】従来の光導波路デバイスの構造を示す説明図
である。

【符号の説明】

１１…シングルモード導波路（入射部）、 １２…ダブルモード導波路、 １３〜１６…導波路（射出部）、 ２０，２１，２２，１８…反射ミラー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダブルモード導波路とそこから分岐した
   二本の導波路、もしくは互いに近接させた二本のシング
   ルモード導波路を備え、導波路中を伝搬してきた光信号
   を偏光面の異なる光信号に分離する機能を有する光導波
   路デバイスにおいて、 前記分離された光信号が伝搬する導波路の少なくとも一
   方に、導波路層の端面を反射面とする光反射ミラーと、
   該光反射ミラーにより反射された光信号を伝搬する導波
   路と、が設けられていることを特徴とする光導波路デバ
   イス。
2. 【請求項２】前記光反射ミラーが、導波路層を伝搬する
   光信号の一部分のみを反射するものであり、 該反射ミラーにより反射された光信号を伝搬する導波路
   と、該反射ミラーにより反射されなかった残りの光信号
   が伝搬する導波路とが別個に設けられていることを特徴
   とする請求項１に記載の光導波路デバイス。