JP2015215578A

JP2015215578A - 光導波路素子およびそれを用いた偏波分離器

Info

Publication number: JP2015215578A
Application number: JP2014099913A
Authority: JP
Inventors: 橋詰　泰彰; Yasuaki Hashizume; 泰彰橋詰; 優生倉田; Masao Kurata; 里美片寄; Satomi Katayose; 井藤　幹隆; Mikitaka Itou; 幹隆井藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2015-12-03

Abstract

【課題】溝および溝に挿入した波長板に伴う過剰損失を低減した光導波路素子を提供する。【解決手段】光導波路素子は、第１の光導波路１４２ａ、１４２ｂと接続された第１のモード変換部１４４ａ、１４４ｂと、第２の光導波路１４９ａ、１４９ｂと接続された第２のモード変換部１４８ａ，１４８ｂと、第１のモード変換部１４４ａ、１４４ｂと第２のモード変換部１４９ａ、１４９ｂとを接続する複数の第３の光導波路１４６−ａ１〜ａ３、１４６−ｂ１〜ｂ３、１４７−ａ１〜ａ３、１４７−ｂ１〜ｂ３と、複数の第３の光導波路１４６−ａ１〜ａ３、１４６−ｂ１〜ｂ３、１４７−ａ１〜ａ３、１４７−ｂ１〜ｂ３を分断する溝１５０と、溝１５０に挿入された波長板１５２ａ、１５２ｂとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、低損失な光導波路素子およびそれを用いた偏波分離器に関し、より具体的には、薄膜素子が挿入された薄膜挿入光導波路素子およびそれを用いた偏波分離器に関する。

光通信システムの伝送容量の拡大を目的として、異なる四位相偏移変調信号（ＱＰＳＫ信号：Qadrature Phase Shift Keying信号）を直交する偏光に多重化した偏波多重ＱＰＳＫ信号が広く用いられている。

たとえば、偏波多重ＱＰＳＫ信号を生成するための変調器が提案されている（例えば、引例文献１（Fig.2）参照）。この変調器では、ＱＰＳＫ信号を生成する変調器を二つ用意する。そして、一方の変調器からの信号は半波長板を用いて偏波回転させ、偏波合成器（ＰＢＣ：Polarization Beam Combiner）にてそれぞれの変調器からの信号を合波する。

また、非特許文献１の変調器では、ＰＢＣとしては、アーム導波路の幅を変化させた幅変調ＰＢＣを用いているが（例えば、引例文献１（Fig.3）参照）、波長板を用いたＰＢＣも報告されている（たとえば、引用文献２（Fig.1(b)）参照）。

以下、偏波分離器（PBS:Polarization Beam Splitter）と偏波合成器（PBC:Polarization Beam Combiner）は同じものとして記述する。

非特許文献１および２に開示された光デバイスは、いずれも石英系光導波路を用いており、波長板を光導波路に挿入し、偏波制御を行っている。

国際公開第２００６／０１３８０５号

H. Yamazaki,"PDM-QPSK Modulator With a Hybrid Configuration of Silica PLCs and LiNbO3 Phase Modulators," JLT., Vol. 29, No. 5, March 1, 2011 Y. Nasu,"Temperature Insensitive and Ultra Wideband Silica-based Dual Polarization Optical Hybrid for Coherent Receiver with Highly Symmetrical Interferometer Design," ECOC2011

しかしながら、上述した従来技術には、次に示す課題があった。すなわち、半波長板を用いて変調器からの信号を偏波回転する場合には、波長板挿入に伴う損失が生じるという問題がある。より具体的には、非特許文献１および２の光デバイスでは、光導波路を分断する溝をダインシングにて形成し、そこに波長板を挿入する。波長板は、光導波路のように光の閉じ込め構造を持たないため、波長板において光は放射し過剰損失が発生する。また、光導波路の比屈折率差（Δ）が大きくなるほど、溝および溝に挿入した波長板において光の放射する角度が大きくなるため、溝および溝に挿入した波長板に伴う過剰損失は大きくなり顕著となる。

そこで、本発明の目的は、これらの課題に鑑みてなされたものであり、溝に関連した損失を低減した光導波路素子およびそれを用いた偏波分離器を提供することにある。

このような目的を達成するための本発明の第１の態様は、光導波路素子である。光導波路素子は、基板上の光導波路で構成される光素子であって、第１の光導波路と接続された第１のモード変換部と、第２の光導波路と接続された第２のモード変換部と、第１のモード変換部と第２のモード変換部とを接続する２つ以上の第３の光導波路と、２つ以上の第３の光導波路を分断する溝とを備え、２つ以上の第３の光導波路から溝へ入射する光の全体のモードフィールドが、第１の光導波路と第１のモード変換部との接続位置における光のモードフィールドよりも拡大される。

一実施形態では、溝には、波長板または偏光子が挿入される。あるいは、溝には、樹脂が充填される。第１のモード変換部における光導波路のコアの幅は、非周期的に連続的に変動し、変動するコアの幅の一部は、２つ以上の第３の光導波路のコアとの接続箇所におけるコアの幅よりも広い。基板はシリコン基板であり、光導波路は石英系導波路である。

また、本発明の第２の態様は、偏波分離器である。偏波分離器は、基板上の光導波路で構成される偏波分離器であって、入力導波路と接続された光分波回路と、出力導波路と接続された光合波回路と、光分波回路と光合波回路とを接続する２本のアーム導波路と、を備え、２本のアーム導波路の各々に、第１の態様の光導波路素子の第１の光導波路と第２の光導波路が接続されている。

一実施形態では、光分波回路は１×２多モード干渉導波路であり、光合波回路は２×２多モード干渉導波路である。基板はシリコン基板であり、シリコン基板の上の光導波路は石英系導波路である。

以上説明したように、本発明によれば、溝に関連した損失を低減した光導波路素子およびそれを用いた偏波分離器を提供するが可能となる。

本発明の一実施形態にかかる薄膜挿入光導波路素子およびそれを用いた偏波分離器を示す概略構成図である。本発明の一実施形態にかかる薄膜挿入光導波路素子における、モード変換部を有する光分岐部を示す概略構成図である。従来のモード変換部を有する光分岐部を示す概略構成図である。本発明の一実施形態にかかる薄膜挿入光導波路素子における、モード変換部を有する光分岐部の導波路の面図である。本発明の一実施形態にかかる薄膜挿入光導波路素子における、モード変換部を有する光分岐部を示す図であり、（ａ）は概略構成図であり、（ｂ）は光分岐部の導波路の面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の種々の実施形態の説明においては、具体的な数値例を用いるが、本願発明は、このような具体的な数値例に限定されるものではなく、一般性を失うことは他の数値においても実施することもできることは言うまでもない。また、同一または類似の符号は、同一または類似の要素を示し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る偏波分離器（ＰＢＳ）の概略構成図である。図１のＰＢＳ１００は、１×２多モード干渉導波路（以下、ＭＭＩ）１０２、アーム導波路（１０４ａ、１０４ｂ）、２×２ＭＭＩ１０６を直列に接続したマッハツェンダ干渉回路（ＭＺＩ）からなる。アーム導波路１０４ａは、光導波路１４２ａ、モード変換部１４４ａ、三つのコアが並んだ光導波路（１４６−ａ１〜ａ３）、モード変換部１４８ａ、光導波路１４９ａを直列に接続している。アーム導波路１０４ｂも、アーム導波路１０４ａと同様の構成である。それぞれのアーム導波路においては、三つのコアが並んだ光導波路を分断するように波長板挿入用の溝１５０が形成されている。アーム導波路１０４ａの溝には、１／４波長板１５２ａの遅軸が基板と垂直になるように挿入され、アーム導波路１０４ｂの溝には、１／４波長板１５２ｂの遅軸が基板と水平になるように挿入されている。

次に具体的な作製方法を示す。シリコン基板を用意し、シリコンを熱酸化させることによって石英ガラスを形成する。その後、スパッタ堆積法により五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）添加石英系ガラスをコア層として堆積する。この時、石英ガラスに対して比屈折率差（Δ）が５％となるようにＴａ_２Ｏ_５の添加量を調整する。そして、フォトリソグラィー技術と反応性イオンエッチング技術により種々の導波路のコアをパターニングする。最後に、化学気層成長法（CVD:Chemical Vapor Deposition）によってコアを埋め込み、埋め込み構造の石英系光導波路を作製する。波長板挿入用の溝はダイシングソーによって、幅３０μｍかつ深度１００μｍの大きさで形成する。その後、溝の中に、ポリイミドからなる１／４波長板を所定の角度で挿入し、溝に接着剤を充填し固定する。

次に、ＰＢＳ１００の動作原理を簡単に説明する。１×２ＭＭＩ１０２にて、光信号は同相に等分配される。１／４波長板（１５２ａ，１５２ｂ）は、アーム導波路１０４ａではＴＥ偏波に９０度の位相差を与えるように、アーム導波路１０４ｂではＴＭ偏波に９０度の位相差を与えるようにそれぞれ配置されている。よって、アーム間の光路長差はアーム導波路１０４を基準としてＴＥ偏波、ＴＭ偏波それぞれについて−９０度と９０度となる。その後、２×２ＭＭＩにて合流する際には、９０度の位相差が与えられるため、二つの光路長の位相差は０度と１８０度となる。結果的に、ＴＥ偏波は同相、ＴＭ偏波は逆相となるため、偏波分離がなされる。

次に、本実施形態に係るＰＢＳ１００の効果を説明する。ＰＢＳ１００では、アーム導波路（１０４）を構成する導波路（１４２，１４９）における２．６μｍ角のコアは、モード変換部（１４４，１４８）を介して三つのコアから構成される光導波路（１４６，１４７）に変換される。図２は、図１のモード変換部１４４ａの拡大図を示す。他のモード変換部（１４４ｂ，１４８ａ，１４８ｂ）の構成も、モード変換部１４４ａと同様である。モード変換部１４４ａは波面整合法を用いてモード変換による過剰損失が小さくなるように設計されている（例えば、特許文献１参照）。波面整合法を用いることで、モード変換部を順方向に伝搬する光フィールドと逆方向に伝搬する光フィールドとの間の位相差がゼロとなるように、モード変換部のコアを設計できる。モード変換部１４４ａを構成する光導波路のコアの幅は非周期的に連続的に変動する形状となっている。幅が変動する光導波路により、光導波路１４２ａからの光のモードが高次モードと放射モードとに結合され、高次モードと放射モードとに結合された光が光導波路（１４６−ａ１〜１４６−ａ３）によって決定される三峰状のモードフィールドをもつ伝搬モードに結合されるため損失が改善される。

図２に示すように、光導波路１４２ａは、２．６μｍ幅のコアから複数本のコア（１４６−ａ１〜１４６−ａ３）への変換領域において、複数本のコアとの接続箇所におけるコア幅（図２のコア幅Ｂ）よりも太いコア幅（図２のコア幅Ｃ）で一部が設計されている。図３に示すように、０次モードが連続的にテーパ状に拡大するように、単調に導波路幅を変化させていく方が設計として簡便である。しかし、本実施例では、図２のような設計とすることで、図３に比べて０．１ｄＢの損失改善が得られた。

次に、図４に、三つのコア（１４６−ａ１〜１４６−ａ３）の断面構造を示す。他のコア（１４６−ｂ１〜１４６−ｂ３，１４７−ａ１〜１４７−ａ３，１４７−ｂ１〜１４７−ｂ３）も同様の断面構造を有する。コアのサイズは、全て同一で０．３μｍ幅×２．６μｍ高さ、コアの間隔は３．５μｍである。このような断面構造にすることによって、光のモードフィールドは三峰状の形状となり、かつ、一つ一つのコアの閉じ込めが弱いため、基板垂直方向にもモードフィールドが広がる。その結果、モードフィールドは通常のコア（２．６μｍ×２．６μｍ）のモードフィールドより大きくなる。モードフィールドを大きくすることによって、溝１５０における放射角度が小さくなり、放射損失を減らすことができる。本本実施形態のＰＢＳ１００において、溝１５０および１／４波長板１５２ａを挿入することによる損失増加はわずかに１ｄＢであった。

以上の実施形態において、熱酸化膜基板上にスパッタ堆積法によるコア、ＣＶＤ法によるオーバクラッドを堆積した。しかしながら製法の組み合わせはこれに限らず、火炎堆積法といった他のガラス堆積方法を含め、石英ガラスが堆積可能な他の製法と様々組み合わせて作製したとしても同様な効果が得られることを明白である。

本実施形態においては、いずれも光導波路を五酸化タンタル添加石英系ガラス、クラッドを石英ガラスとしたが、この組み合わせに限らず、たとえば、光導波路を半導体、ポリマーのいずれかとし、クラッドを石英ガラス、半導体、ポリマーのいずれかとした場合でも、モード変換部と複数のコアから構成される光導波路の設計パラメータを最適化することによって、同様な効果が得られることは明白である。

また、本実施形態においては、薄膜素子として１／４波長板とした。しかしながら、１／４波長板に限らず、１／２波長板といったその他の波長板、または、薄膜形状の偏光子などを用いても同様な損失低減効果が得られることは明確である。さらに、薄膜素子に替えてシリコーンなどの樹脂を溝に充填した光導波路素子においても同様な損失低減効果が得られることは明確である。

さらに、本実施形態において、分波回路は１×２ＭＭＩを用いた。しかしながら、例えば、Ｙ分岐を用いた１×２分波回路を用いても同様な効果は得られる。また、１×２分波回路でなく、方向性結合器、または、２×２ＭＭＩといった２×２分波回路を用いたとして、分岐する際に発生する９０度の位相差を補償するように二本のアーム導波路に光路長差を設けることで偏波分離器としての動作は得られる。さらにまた、本実施形態のような薄膜挿入光導波路を用いることによって損失低減効果が得られる。

また、本実施形態において、合波回路として２×２ＭＭＩを用いた。しかしながら、方向性結合器といった、他の２×２合波回路を用いても同様な効果は得られる。

さらに、本実施形態において、モード変換部におけるモードフィールド拡大箇所では、三つのコアが並んだ光導波路構成とした。しかしながら、二つのコアが並んだ光導波路であっても、モードフィールドは双峰状の形状となりモードフィールドの拡大効果が得られる。従って、同様な損失低減効果が得られる。また、その際のモード変換部に関しても、連続的にテーパ状に導波路幅を変化させるのではなく、図５に示すように、波面整合法を用いて、コアの幅を非周期的に連続的に変動させ、コアの幅の一部を複数コアの接続箇所よりも太くすることによって、同様に０．１ｄＢの損失低減効果が得られる。尚、光導波路の作製方法としては上述したのと同様なものを想定している。

１００偏波分離器
１０２１×２多モード干渉導波路（１×２ＭＭＩ）
１０４アーム導波路
１０６２×２多モード干渉導波路（２×２ＭＭＩ）
１４２光導波路
１４４モード変換部
１４６光導波路
１４７光導波路
１４８モード変換部
１４９光導波路
１５０溝
１５２ λ／４板
１６０シリコン基板
１７０石英ガラス（クラッド）

Claims

基板上の光導波路で構成される光素子であって、
第１の光導波路と接続された第１のモード変換部と、
第２の光導波路と接続された第２のモード変換部と、
前記第１のモード変換部と前記第２のモード変換部とを接続する２つ以上の第３の光導波路と、
前記２つ以上の第３の光導波路を分断する溝と
を備え、
前記２つ以上の第３の光導波路から前記溝へ入射する光の全体のモードフィールドが、前記第１の光導波路と前記第１のモード変換部との接続位置における光のモードフィールドよりも拡大される、ことを特徴とする光導波路素子。
前記溝に挿入された波長板または偏光子をさらに備える、ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
前記溝に樹脂が充填された、ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
前記第１のモード変換部における光導波路のコアの幅は、非周期的に連続的に変動し、変動するコアの幅の一部は、前記２つ以上の第３の光導波路のコアとの接続箇所におけるコアの幅よりも広い、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子。
前記基板はシリコン基板であり、前記光導波路は石英系導波路である、ことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子。
基板上の光導波路で構成される偏波分離器であって、
入力導波路と接続された光分波回路と、
出力導波路と接続された光合波回路と、
前記光分波回路と前記光合波回路とを接続する２本のアーム導波路であり、請求項１、２、４、または５に記載された光導波路素子の前記第１の光導波路および前記第２の光導波路がそれぞれに接続された２本のアーム導波路と
を備えた、ことを特徴とする偏波分離器。
前記光分波回路は１×２多モード干渉導波路であり、前記光合波回路は２×２多モード干渉導波路である、ことを特徴とする請求項６に記載の偏波分離器。
前記基板はシリコン基板であり、前記シリコン基板の上の前記光導波路は石英系導波路である、ことを特徴とする請求項６または７に記載野の偏波分離器。