定向耦合器及其制造方法与流程

本发明涉及由以inp为基体的高台面光波导构成的定向耦合器及其制造方法。

背景技术：

1、作为光半导体器件的材料，使用有硅(si)、磷化铟(inp)、砷化镓(gaas)、氮化镓(gan)、铌酸锂(linbo3)或者以它们为基础的化合物半导体等各种材料。在这样的光半导体器件中，光波导作为基本构成要素被广泛使用。光波导通过使折射率比周围高而将光封入某局部区域，并通过将该区域形成为线状，从而使光沿所希望的方向传播。

2、另外，定向耦合器也作为用于实现各种功能的光半导体器件的基本的构成要素之一被广泛使用。定向耦合器通过使两个独立的光波导接近至传播光的波长以下的距离，从而将两个波导的光传播模式进行光学耦合。由此，能够使传播光的任意功率转换。

3、但是在一般的定向耦合器中，为了将在一方的光波导传播的光功率充分地向另一方的光波导转换，需要所传播的光的波长的数十倍左右长的距离，因而存在器件尺寸变大的课题。

4、另外，在定向耦合器中常常使用的将光功率的50％分配给另一方的3db耦合器以及3db分离器中，还存在得到所希望的转换率的器件长的允许误差范围约为1微米左右非常小的课题。相对于整体的器件长，允许误差范围的器件长小表示定向耦合器是不耐制造误差的器件。

5、作为用于解决上述课题的技术，公开有在由以si为基体的细线波导构成的定向耦合器中，导入所谓的亚波长光栅(sub-wavelength grating:swg)构造，从而缩短光功率从一方光波导向另一方光波导的转换距离的技术(例如参照非专利文献1)。swg构造是使接近波长程度的距离的两个光波导的波导宽度成为不同的值，并且沿相对于两个光波导垂直的方向设置的传播光以下的周期的周期构造。在该方法中，通过非对称波导宽度的导入来缩短光功率的转换距离，通过swg构造来补偿此时成为问题的光功率的转换率的降低。由此，成功实现是定向耦合器并且器件长较短的3db耦合器。

6、非专利文献1：c.ye et al.,“ultra-compact broadband 2x 23db powersplitter using a subwavelength-grating-assisted asymmetric directionalcoupler,”journal of lightwave technology,vol.38,no.8(2020)

7、在si细线波导中，光波导宽度为0.5微米以下，容易形成使两个光波导接近0.2微米以下的构造。现有技术除这样的si细线波导以外的应用是困难的。特别是光波导向高度方向的封入较弱，因此需要较深的挖入部。另一方面，在以inp为基体的高台面光波导中，光波导宽度为0.5微米以上，且需要两个光波导间距离。因此，现有技术向以inp为基体的高台面光波导的应用是困难的。

技术实现思路

1、本公开是为了解决上述那样的课题所做出的，其目的在于得到也能够应用于以inp为基体的高台面光波导、器件尺寸小且耐制造误差的定向耦合器及其制造方法。

2、本公开的定向耦合器的特征在于，具备：半导体基板；高台面构造的第一光波导及第二光波导，它们并排形成于所述半导体基板之上；以及周围包层，其形成于所述第一光波导及所述第二光波导的周围，所述第一光波导及所述第二光波导具有：光功率转换部，其将在所述第一光波导及所述第二光波导的一方传播的光按所希望的功率比率分配给所述第一光波导及所述第二光波导；第一曲线波导，其与所述光功率转换部的输入侧连接，越朝向所述光功率转换部、越使所述第一光波导及所述第二光波导的间隔缩小；以及第二曲线波导，其与所述光功率转换部的输出侧连接，越远离所述光功率转换部、越使所述第一光波导及所述第二光波导的间隔扩大，在所述光功率转换部中，所述第一光波导及所述第二光波导的间隔为所述光的波长以下，所述第一光波导及所述第二光波导分别是具有在所述半导体基板之上依次形成的下部包层、芯层以及上部包层的高台面构造，所述第一光波导和所述第二光波导具有不同的宽度，在所述光功率转换部的所述第一光波导及所述第二光波导的所述芯层之间且在所述下部包层之上形成有间隙芯层，考虑了所述光向高度方向漏出时的所述间隙芯层的等效折射率比所述第一光波导及所述第二光波导的所述芯层的等效折射率低。

3、在本公开中，以考虑了光向高度方向漏出时的间隙芯层的等效折射率比光波导的芯层的等效折射率低的方式设计间隙芯层。由此，能够得到也能够应用于以inp为基体的高台面光波导、器件尺寸较小且耐制造误差的定向耦合器。

技术特征：

1.一种定向耦合器，其特征在于，具备：

2.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的定向耦合器，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的定向耦合器，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的定向耦合器，其特征在于，

6.根据权利要求2所述的定向耦合器，其特征在于，

7.根据权利要求2所述的定向耦合器，其特征在于，

8.根据权利要求7所述的定向耦合器，其特征在于，

9.一种定向耦合器的制造方法，是形成权利要求5所述的定向耦合器的方法，其特征在于，

技术总结
在光功率转换部中，第一及第二光波导(2c、3c)的间隔为光的波长以下。第一及第二光波导(2c、3c)分别是具有在半导体基板(1)之上依次形成的下部包层(5)、芯层(6a、6b)以及上部包层(7a、7b)的高台面构造。第一光波导(2c)和第二光波导(3c)具有不同的宽度。在光功率转换部的第一及第二光波导(2c、3c)的芯层(6a、6b)之间，在下部包层(5)之上形成有间隙芯层(6c)。考虑了光向高度方向漏出时的间隙芯层(6c)的等效折射率比第一及第二光波导(2c、3c)的芯层(6a、6b)的等效折射率低。

技术研发人员：望月敬太,岸本一诚
受保护的技术使用者：三菱电机株式会社
技术研发日：
技术公布日：2025/1/13