JPH0365906A - 半導体光波長フィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、波長の異なる複数の光を弁別して受光するこ
とが可能な波長多重弁別型半導体受光素子、および半導
体光増幅器の自然放出光をカットする半導体光機能素子
に関するものである。

［従来技術とその課題］ 導波路を用いた従来の透過型光波長フィルタとしては、
主に■λ／４シフト・ブラッグ導波路型光波長フィルタ
と■方向性結合器型光波長フィルタとの２種類が知られ
ている。

λ／４シフト・ブラッグ導波路型光波長フィルタは、ク
ラッドとなる基板とコアとなる導波層との境界面に結合
次数が１次の周期性構造を設け、さらにこの周期性構造
の途中において周期性構造の位相がπずれた構造を持っ
ている。この型の光波長フィルタは、導波層内を伝搬す
る２個の固有モードの伝搬定数差δβがＯとなるブラッ
グ波長の光において、周期性構造の反射率が０となり、
ブラッグ波長の光を透過させる光フィルタとして動作す
るものである。

しかしながらこの型の光波長フィルタは、透過波長域前
後に存在する阻止域が狭く、阻止域の外側で再び光が透
過してしまうばかりか、阻止域の減衰量も十分でない等
の欠点があった。

これに対して方向性結合器型の光波長フィルタは、たと
えば第９図に示したように、ステップ型屈折率分布を持
つ２つの導波層による方向性結合器からなるものである
。第９図中、符号Ｉはクラッド、符号２および符号３は
いずれも導波層である。

この方向性結合器は、導波層路２と導波層３のそれぞれ
の分散曲線がある特定波長λＣで交差するように、それ
ぞれの導波層の厚さ、屈折率、長さ等の構造パラメータ
が定められてなるものである。

したがって特定波長λＣでそれぞれの導波路２．３を伝
搬する固有モードの伝搬定数差δβが０となり、この特
定波長λＣでのみ導波ＦＪ２と導波層３との間で１００
％結合が起こる。モして導波層２より入射した波長λ。

〜λの光のうち、波長λＣ付近の光のみが導波層３より
出射し、透過型の光波長フィルタとして動作する。

またこの他にも導波層２と導波層３の間のクラッドｌに
、周期への周期性構造、いわゆるグレーティングを設け
た構造の光波長フィルタも報告されている。この場合、
２つの導波路２．３間の伝搬定数は波長λＣにおいて一
致しておらず、固有モードの伝搬定数差δβはＯではな
いが、グレーティングの周期Ａを適当に定めることによ
り伝搬定数差δβをＯにし、導波Ｆ！Ｊ２と導波層３と
の１００％結合を実現することができる。したがって第
９図に示した方向性結合器型光波長フィルタと同様に、
透過型の光波長フィルタとして動作するものである。

しかしながら第９図に示した方向性結合器型光波長フィ
ルタは、各導波層の分散曲線の交差が緩やかであり、透
過波長域が広く、阻止域での減衰量も十分でないという
欠点があった。またグレーティングを設けた方向性結合
型の光波長フィルタではフィルタ長ＩＩＩＩｆｆｉで、
透過波長域の半値全幅δλが６．５ｎ−という報告（Ｒ
，Ｃ，＾１ｌｅｒｎｅｓｓ　ｅｔ　ａ！。

＋！１ＴＥＧＲＡＴＥＤ　ＡＮＤ　ＧｔｌｌＤＥＤ−１
１ＡＶＥ　０ＰＴＩＣ３１９８９，ＶＯＬ。

４、冒＾Ａ６−１．　ｐｐ、　２１５〜２１８）がある
が、結晶成長の過程で電子ビーム等を用いてグレーティ
ングを刻む必要があり、その製造工程が複雑であるとい
う欠点があった。

本発明の目的は、ブラッグ導波路型光波長フィルタの阻
止波長域が狭いという不十分さと、方向性結合器型光波
長フィルタが有する透過波長域が広いという波長透過特
性の広帯域性との、双方の問題を解決し、急峻な波長選
択性と十分な波長阻止特性を有し、かつ製造が容易な透
過型の半導体光波長フィルタを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、半導体結晶の結晶成長方向に、第１の単一モ
ード半導体導波路と第２の単一モード半導体導波路とが
順次積層され、前記第１の単一モード半導体導波路と第
２の単一モード半導体導波路の実効屈折率が特定波長で
一致するように導波路パラメータが定められてなり、前
記特定波長でのみ第１の単一モード半導体導波路と第２
の単一モード半導体導波路とが完全結合し、これ以外の
波長では完全結合がおこらない方向性結合器型光波長フ
ィルタであって、前記単一モード半導体導波路の少なく
とも一方が第０次導波モードに遮断域を有することを解
決手段とした。

すなわちグレーティング等を持たない半導体方向性結合
器を構成する導波路として、第０次導波モードに遮断域
を持つ導波路、例えばＷ型層折率分布や非対称ステップ
型屈折率分布を持つ導波路を用いることにより、両導波
路の分散曲線を急峻に交差せしめるようにしたものであ
る。

［実施例コ 第１図および第２図は、いずれも本発明の半導体光波長
フィルタの一実施例の層構成と各層の屈折率分布を併せ
て示したものである。

第１図に示した半導体光波長フィルタは、第０次導波モ
ードに遮断域を有する半導体導波路を形成する方法とし
てＷ型導波路を用いた例であり、第２図に示したものは
非対称ステップ型導波路を用いた例である。

第１図および第２図中、符号ｌはクラッド、符号２は第
１の単一モード半導体導波路（以下、単に第１導波路と
略称する。）のコア、符号３は第２の単一モード半導体
導波路（以下、単に第２導波路と略称する。）のコア、
符号４は第１導波路の内側クラッド、符号５は第１導波
路の非対称側クラッドである。

本実施例においては屈折率３．１６５のＩｎＰウェハ上
に、屈折率ｎ４のＧｇｘ　ＡＳＩ−Ｘ　ｒ　ｎｙ　Ｐ　
＋−ＶをＭＯ−ＣＶＤ法によって積層してこれをクラッ
ドｌとし、このクラッドｌ上に順次ＭＯ−ＣＶＤ法によ
って第２導波路のコア３、クラッドｌ、第１導波路のコ
ア２を堆積した。第２導波路のコア３には屈折率ｎ２の
Ｇａｘ　Ａｓ＋−ｘ　Ｉ　ｎｙ　Ｐ　ｒ−ｙを、第１導
波路のコア２には屈折率ｎ３のＧａｘＡｓ＋−ｘＩ　ｎ
ｙ　Ｐ　＋−Ｙを、また第１導波路の内側クラッド４お
よび第！導波路の非対称側クラッド５には屈折率ｎｌ　
＝３．１６５のＩｎＰを、それぞれ用いた。

第３図ないし第６図はいずれも方向性結合□型光波長フ
ィルタの分散特性とパワー移行率との関係を示したもの
である。

第３図は、第１図に示した本発明のＷ型環波路を用いた
半導体光波長フィルタ（以下、ＳＷ型フィルタと略称す
る。）の分散特性を、第４図はＳＷ型フィルタのパワー
移行率をそれぞれ示したものであり、第５図は第９図に
示した従来の方向性結合型光波長フィルタの分散特性を
、第６図は従来の方向性結合型光波長フィルタのパワー
移行率をぞれぞれ示したものである。

本発明のＳＷ型フィルタは、第１導波路であるＷ！！！
導波路が第０次導波モードに遮断域を持つため、波長が
大きくなるに従って第０次モードの等偏屈折率は著しく
低下する。このため第３図に示したように、Ｗ型環波路
の分散曲線は、等偏屈折率の変化が少ない第２導波路で
あるステップ型導波路の分散面線と急峻に交差する。よ
ってそのパワー移行率は第４図に示したようになり、十
分な波長選択性を有するようになる。

一方、従来の方向性結合器型光波長フィルタでは等偏屈
折率の変化が少ないステップ型導波路を用いているので
、これらの分散曲線の交差は第５図に示したようになり
、第３図に示した本発明のＳＷ型フィルタのそれに比較
して極めて緩やかである。よってそのパワー移行率は第
６図に示したようになり、その波長選択性は低いもので
ある。

第３図ないし第６図を参照して、導波路の分散特性が方
向性結合型光波長フィルタの特性に与える影響を説明す
ると共に、本実施例のＳＷ型フィルタの動作を以下に示
す。

方向性結合器型光波長フィルタの第２導波路に波長λ。

〜λの光が入射したとする。このときの第２導波路から
第１導波路へのパワー移行率は、ｓｉｎ”（βｃＬ）に
比例する。ここにＬはフィルタ長、βｃ＝（に′＋Δ３
）である。には第１導波路と第２導波路の結合係数でに
Ｌ＝π／２を満たし、Δ＝（β１−β２）／２でβｌお
よびβ２はそれぞれ第１導波路、第２導波路の第０次導
波モードの伝搬定数である。前記式から分かるように、
パワーの移行率が最大になるのはΔ＝０、すなわちβ！
＝β２のときであり、β１とβ２との差δβが大きくな
るに従って、パワーの移行率は減少する。よってβｌ−
β２なる条件が波長λＣの光でのみで起こるとすると、
第２導波路に入射した波長久。〜λの光のうち波長λＣ
付近の光のみが第１導波路に透過され、かくして光波長
フィルタとして動作すること書こなる。

ところで伝搬定数差δβの波長に対する変化θβ／θλ
が大きいほど、波長λＣ以外の光のパワー移行率が急激
に減少し、波長λＣ付近での急峻なパワー移行特性を持
つことは明らかである。よって第３図および第４図に示
したとおり、本発明のＳＷ型フィルタは従来の方向性結
合器型光波長フィルタと比較して伝搬定数差δβの波長
に対する変化が極めて大きく、波長λＣ付近での急峻な
パワー移行特性、すなわち急峻な波長選択特性を持って
いることが分かる。

また本発明のＳＷ型フィルタは半導体を材料とし、この
半導体の結晶成長方向に第１導波路および第２導波路の
各層を順次積層するのみで製造できるため、各導波路の
コア、クラッド等の屈折率の制御が容易であり、かつそ
の制御範囲が広く、透過波長λＣおよび透過波長域δλ
の設計自由度が大きいという利点もある。

第７図および第８図に、第１図に示した本発明のＳＷ型
フィルタの伝搬定数差δβの波長依存性と、波長選択特
性とを数値的に検討した結果をそれぞれ示した。なお本
数値例の導波路パラメータは表１の通りである。ここで
は半導体材料であるＧａｘＡＧ＋−Ｘ　ｔ　ｎｙ　Ｐ　
＋−ｙの材料分散も考慮に入れた。

本数値例では、フィルタ長１ｍｍという条件において波
長透過域の半値全幅δλは４．７ｎｍと解析された。こ
の設計に基づいて同構造を製造した結果、はぼ設計通り
の半値全幅が実現された。

（以下、余白） 表！ なおここではＧａＡｓ１ｎＰ系の半導体を用いて説明し
たが、他の半導体材料を用いても動作原理は全く同様で
ある。また本実施例では、第１導波路のみを第０次導波
モードに遮断域を有するものとしたが、本発明の半導体
光波長フィルタは、第！導波路のみならず第２導波路を
も第０次導波モードに遮断域を有するものとすることが
でき、本発明は本実施例に限定されるものではない。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明の半導体波長フィルタは、
方向性結合器型光フィルタにおいて導波路の少なくとも
！つに第０次導波モードに遮断域を有する導波路を用い
たものであるので、従来のブラッグ導波路型光波長フィ
ルタあるいは従来の方向性結合器型光波長フィルタと比
較して、急峻な波長選択特性と広い波長阻止域を持ち、
かつ製造が容易であるという利点を持っている。

さらに方向性結合器の片方の導波路に利得を持たせてフ
ィルタ機能（すき半導体光増幅器等を実現できるという
発展性も合わせ持っている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体光波長フィルタの一実施例の層
構成とその屈折率分布をあわせて示した概略構成図、第
２図は本発明の半導体光波長フィルタの他の例の層構成
とその屈折率分布をあわせた示した概略構成図、第３図
は第１図に示した半導体光波長フィルタの分散特性を示
したグラフ、第４図は第１図に示した半導体光波長フィ
ルタのパワー移行率を示したグラフ、第５図は従来の方
向性結合器型光波長フィルタの分散特性を示したグラフ
、第６図は従来の方向性結合器型光波長フィルタのパワ
ー移行率を示したグラフ、第７図は第１図に示した半導
体光波長フィルタの伝搬定数差δβおよび第１導波路と
第２導波路の結合係数にの波長依存性を示したグラフ、
第８図は第１図に示した半導体光波長フィルタの波長選
択特性を示したグラフ、第９図は従来の半導体光波長フ
ィルタの一例の層構成と屈折率分布をあわせて示した概
略構成図である。 ■・・・クラッド、２・・・第【導波路のコア、３・・
・第２導波路のコア、４・・第１導波路の内側クラッド
、５・・・第１導波路の非対称側クラッド。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体結晶の結晶成長方向に、第１の単一モード半導体
   導波路と第２の単一モード半導体導波路とが順次積層さ
   れ、前記第１の単一モード半導体導波路と第２の単一モ
   ード半導体導波路の実効屈折率が特定波長で一致するよ
   うに導波路パラメータが定められてなり、前記特定波長
   でのみ第１の単一モード半導体導波路と第２の単一モー
   ド半導体導波路とが完全結合し、これ以外の波長では完
   全結合がおこらない方向性結合器型光波長フィルタであ
   って、前記単一モード半導体導波路の少なくとも一方が
   第０次導波モードに遮断域を有することを特徴とする半
   導体光波長フィルタ