JP2004309807A

JP2004309807A - 積層光導波路

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Publication number: JP2004309807A
Application number: JP2003103597A
Authority: JP
Inventors: Masaya Suzuki; 賢哉鈴木; Mikitaka Itou; 幹隆井藤; Yoshinori Hibino; 善典日比野; Shinsuke Matsui; 伸介松井; Takashi Saida; 隆志才田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-04-08
Filing date: 2003-04-08
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-04-08
Also published as: JP4114791B2

Abstract

【課題】結合率の偏波依存性を低減した積層光導波路とする。
【解決手段】積層光導波路は、シリコン基板１上に、下部クラッド層２、下部コア２１、中間クラッド層４、上部コア２２、上部クラッド層６を積層して構成されている。そして、上下のコア２１，２２により、光結合直線部７を有する層間光方向性結合器が構成されている。光結合直線部７において、コア２１，２２の高さは等しく、下部コア２１の幅は上部コア２２の幅よりも狭くしている。これによりＴＭ偏波であってもＴＭ偏波であっても、同様な結合率となる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度集積を可能にする積層光導波路に係り、上下導波路層（上下コア）の偏波依存性の違いを解消すると共に、層間光方向性結合器に適用した場合に結合率の偏波依存性を低減できるように工夫したものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信技術の急速な発達により、各種光部品が研究開発されているが、中でも平面基板上の光導波路を基本とした導波路型光部品が最も重要な位置を占めている。これは、導波路型光部品がフォトリソグラフィ技術および微細加工技術により光波長以下の精度で再現性良く量産可能という特徴を有するからである。
【０００３】
しかしながら、これらの導波路型光部品の規模は通信システムの規模に比べて小さく、多数の部品を組み合わせてシステムを実現する必要がある。例えば、実用化が進みつつある２５６の入力線と２５６の出力線を任意の組み合わせで実現するクロスコネクトシステムでは、８×８マトリックススイッチを用いた場合でも、１０００個以上ものモジュールが必要となる。したがって、個々の光部品の大規模化が切望されている。
【０００４】
光回路の規模を大きくするには、回路基板のサイズを大きくして集積する方法や、回路を構成する要素素子を小型化して集積度を高める方法が挙げられる。チップサイズを大きくするには導波路作製装置の大型化が必要であり、その開発には多くの時間が必要であり短時間での対応は困難である。また、チップサイズの大型化はそのチップを搭載したモジュールサイズの大型化を招くが、モジュールに搭載可能な基板には規定の大きさがあり、チップサイズを無限に大型化することはできない。
【０００５】
一方、要素素子を小型化するためには、光導波路におけるコアとその周囲のクラッドの比屈折率差を大きくすることで、コア中の光の閉じ込め効果を強くして導波路の曲げ半径を小さくすることが有効である。しかしながら、比屈折率差を大きくするに従って、同じ量の作製誤差に対する光路長の誤差も大きくなる。比屈折率差が変わっても幾何的な作製精度は同じであるから、光の干渉によりその制御を行う導波路型光部品においては比屈折率差が大きくなるほど、光の干渉状態を大きく狂わせてしまい、部品の性能低下を招いてしまう。そのため、比屈折率差を大きくし、集積度を高める方式にも限界がある。
【０００６】
集積度を上げるもうひとつの方法として、基板と垂直な方向に複数の光導波路構造を多層に形成し、回路を基板に対して垂直に積み上げていく積層回路構造がある。積層回路構造を用いる場合、上下層の異なる導波路で光の受け渡しを行う層間光方向性結合器の実現が不可欠である。層間光方向性結合器の例として、発明者らによる報告（第６２回応用物理学会学術講演会講演予稿集（２００１．９．愛知工業大学）、Ｐ９００、講演番号：１２ｐ−Ｙ−６、“研磨を用いた石英系ＰＬＣの積層化”鈴木他）がある（図８参照）。
【０００７】
この報告によれば、下部クラッド、中間クラッド、上部クラッド、下部コアおよび上部コアを火炎堆積法（ＦＨＤ法）により成膜し、中間クラッド層堆積直後に、中間クラッド層表面を研磨することで層間光方向性結合器を作製できることが示されている。
【０００８】
図８においては、シリコン基板１上に下部クラッド層２、下部コア３、中間クラッド層４、上部コア５、上部クラッド層６を有し、光結合直線部７において一定のギャップ８を有する層間光方向性結合器が示されている。
【０００９】
なお理解を容易にするため、図８の層間光方向性結合器の上面図を図９に、図９の位置ＡＡ−ＡＡ’、ＢＢ−ＢＢ’、ＣＣ−ＣＣ’における断面図を図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）にそれぞれ示す。
【００１０】
図１１は、前記報告において示された層間光方向性結合器の結合特性である。図１１において横軸は光結合直線部７の長さ、縦軸はＴＥ，ＴＭ両偏波に対する結合率である。上部コア５、下部コア３ともに比屈折率差０．７５％の導波路で構成され、そのサイズ（断面の縦寸法及び横寸法）は６μｍ×６μｍ、上下コア間のギャップ８は３μｍであった。この報告の層間光方向性結合器では、ＴＥ偏波に対しては、光結合直線部７の長さが１４００μｍでほぼ１００％の結合が得られているのに対し、ＴＭ偏波に対しては、最大でも７０％程度の結合しか得られていない。
【００１１】
【非特許文献１】
第６２回応用物理学会学術講演会講演予稿集（２００１．９．愛知工業大学）、Ｐ９００、講演番号：１２ｐ−Ｙ−６、“研磨を用いた石英系ＰＬＣの積層化”
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように従来の積層光導波路（層間光方向性結合器）は、ＴＥ偏波に対してはほぼ１００％の結合率が得られているものの、ＴＭ偏波に対しては高々７０％程度の結合率しか得られていなかった。
【００１３】
一般に、石英系光導波路では、その成膜工程において高温の熱処理を必要とする。この工程は、導波路コアに対して基板水平方向の圧縮応力を誘起するが、積層光導波路においては、上部コアおよび下部コアのシリコン基板からの距離が異なるため、その圧縮応力も上部コア、下部コアで異なる。一般に、光導波路の伝搬定数は偏波方向と垂直な応力成分が大きく影響する。したがって、この基板水平方向の応力の違いはＴＭ偏波に対して、上下コア間での伝搬定数の不整合を生み、層間光方向性結合器においてはＴＭ偏波に対して非対称方向性結合器を生み出し、その偏波依存性を誘起する。
【００１４】
本発明は、光通信用デバイスである積層光導波路の上下導波路層間での偏波依存性の差を低減し、且つ、上下導波路各層での偏波依存性を低減する、積層光導波路を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明において開示される発明の概要を簡単に説明すれば次の通りである。
基板上に、下部クラッド層、下部コア、中間クラッド層、上部コア、上部クラッド層を順次積層してなる積層光導波路であって、下部コア断面の高さをＨｌ、下部コア断面の幅をＷｌ、上部コア断面の高さをＨｕ、上部コア断面の幅をＷｕとし、下部コア断面のアスペクト比をＲｌ＝Ｈｌ／Ｗｌ、上部コア断面のアスペクト比をＲｕ＝Ｈｕ／Ｗｕと定義するときに、前記上部コアのアスペクト比Ｒｕと下部コアのアスペクト比ＲｌがＲｌ＞Ｒｕとなることを特徴とする積層光導波路である。
【００１６】
このように、Ｒｌ＞Ｒｕとすることで、下部コアの複屈折と上部コアの複屈折を等しく設定することができ、上下導波路層での偏波依存性の差を低減することが可能である。これは、上部コア，下部コアに異なる構造複屈折を与えることで、上部コア，下部コアの基板との距離の違いにより生じる水平方向の応力の違いを、等しくすることができるからである。
【００１７】
さらに、基板上に、下部クラッド層、下部コア、中間クラッド層、上部コア、上部クラッド層を順次積層してなる積層光導波路であって、入力湾曲部において上部コアと下部コアがそれぞれの存在する平面上で光結合を生じる距離まで徐々に湾曲しながら接近し、一定長の光結合直線部において前記上部コアが前記下部コアの真上に位置しながら平行に延在し、再び出力湾曲部において前記上部コアと前記下部コアがそれぞれの存在する平面上で両コア間の光結合を生じない距離まで徐々に湾曲しながら離れていく構造の層間光方向性結合器を有し、前記一定長の光結合直線部を構成する前記下部コアの高さＨｌと前記一定長の光結合直線部を構成する前記上部コアの高さＨｕとが等しく、前記一定長の光結合直線部を構成する前記下部コアのコア幅Ｗｌが前記一定長の光結合直線部を構成する前記上部コアのコア幅Ｗｕよりも狭い構造の層間光方向性結合器を有してもよい。
【００１８】
こうすることで、積層光導波路に作製された層間光方向性結合器において上部コア、下部コアの複屈折をともにゼロとすることができるため、層間光方向性結合器の偏波依存性を解消することができる。積層光導波路においては、上部コア、下部コアにはたらく応力の基板垂直方向成分はほぼ等しいので、Ｈｌ＝Ｈｕとすることで、ＴＥ偏波に対する伝搬定数を上部コア、下部コア間で等しくすることができる。さらに、Ｗｌ＜Ｗｕとすることで、応力の基板水平方向成分が下部コア、上部コア間で等しく設定され、ＴＭ偏波に対する伝搬定数を上部コア、下部コア間で等しくすることができる。結果として、上部コア、下部コアでの伝搬定数を全て等しく設定することが可能であり、層間光方向性結合器において偏波依存性を低減することができる。
【００１９】
加えて、前記入力湾曲部において、前記下部コアが徐々にコア幅を狭めながら前記光結合直線部に向かって接近するとともに、前記出力湾曲部において、前記下部コアが前記光結合直線部から徐々にコア幅を広げながら離れていく構造の層間光方向性結合器を有してもよい。
また、前記積層光導波路はシリコン基板上に構成されたガラス導波路であってもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、発明の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号をつけ、その繰り返しの説明は省略する。
【００２１】
［実施例１］
図１は本発明の実施例１にかかる、層間光方向性結合器を有する積層光導波路を示す斜視図、図２は積層光導波路における層間光方向性結合器を示す上面図、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は図２のＡ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’，Ｃ−Ｃ’，Ｄ−Ｄ’，Ｅ−Ｅ’断面図である。
【００２２】
図１に示すように、この積層光導波路は、シリコン基板１上に、火炎積層法（ＦＨＤ法）による成膜により、下部クラッド層２、下部コア２１、中間クラッド層４、上部コア２２、上部クラッド層６を順次積層して構成された石英系光導波路である。なお、７は予め設定された長さ（一定長さ）となっている光結合直線部、８はギャップである。
【００２３】
図１及び図２に示されるように、層間光方向性結合器は、下部コア２１と上部コア２２により構成されている。
【００２４】
このうち、下部コア２１は、下部入力導波路１１、下部入力導波路１１に接続された下部入力湾曲部１３、下部入力湾曲部１３に接続された下部光結合直線部１５、下部光結合直線部１５に接続された下部出力湾曲部１７、および下部出力湾曲部１７に接続された下部出力導波路１９により構成される。
【００２５】
また、上部コア２２は、上部入力導波路１２、上部入力導波路１２に接続された上部入力湾曲部１４、上部入力湾曲部１４に接続された上部光結合直線部１６、上部光結合直線部１６に接続された上部出力湾曲部１８、上部出力湾曲部１８に接続された上部出力導波路２０から構成される。
【００２６】
図３に示すように、層間光方向性結合器は、断面Ａ−Ａ’において、互いに光結合を生じない距離に位置する下部入力導波路１１および上部入力導波路１２が、下部入力湾曲部１３および上部入力湾曲部１４にて徐々に接近した後（断面Ｂ−Ｂ’）、互いに光結合を生じる位置に存在する下部光結合直線部１５が上部光結合直線部１６へと光接続される。
【００２７】
断面Ｃ−Ｃ’を含む光結合直線部７において、上部光結合直線部１６は下部光結合直線部１５の真上に位置し、両者の間で光結合を生じる。ここで、下部光結合直線部１５の上面と上部光結合直線部１６の下面は一定のギャップＧをもって平行に延在する。一定の長さＬにわたって平行に延在した下部光結合直線部１５と上部光結合直線部１６はそれぞれ、下部出力湾曲部１７および上部出力湾曲部１８において（断面Ｄ−Ｄ’）、再び光結合を生じない位置に存在する下部出力導波路１９および上部出力導波路２０まで徐々に離遠する（断面Ｅ−Ｅ’）。
【００２８】
下部コア２１および上部コア２２の高さはその全体にわたってともにＨであり、上部コアの幅はその全体にわたってＷ_１で一定である。
さらに、下部コア２１は、下部入力湾曲部１３において徐々にその幅をＷ_１からＷ_２まで狭めつつ湾曲し、下部出力湾曲部１７において徐々にその幅をＷ_２からＷ_１まで広げつつ湾曲する。
【００２９】
したがって、光結合直線部７を構成する下部コア２１（下部光結合直線部１５）の幅は、光直線部７を構成する上部コア２２（上部光結合直線部１６）の幅よりも狭くなっている。
【００３０】
本実施例１では、Ｇ＝３μｍ、Ｈ＝６μｍ、Ｗ_１＝７．５μｍ、Ｗ_２＝６．５μｍとして層間光方向性結合器を含む積層光導波路を火炎堆積法による石英系光導波路にて作製した。
【００３１】
また、下部入力導波路１１と上部入力導波路１２との間の水平方向距離（幅方向に沿う距離）は、互いに光結合を生じないようにするため、本実施例１では２００μｍとした。
同様に、下部出力導波路１９と上部出力導波路２０との間の水平距離（幅方向に沿う距離）は、互いに光結合を生じないようにするため、本実施例１では２００μｍとした。
【００３２】
図４は、本実施例１の層間光方向性結合器の光結合直線部７の長さＬに対する結合率の変化を示すグラフである。ＴＭ偏波モードに対し、層間光方向性結合器の非対称性は低減され、最大結合率は従来値７０％が９０％まで改善された。ＴＭ，ＴＥ両偏波に対して、偏波依存性なく、５０％結合長２４０μｍが得られている。
【００３３】
［実施例２］
図５は本発明の実施例２における積層光導波路における層間マッハツェンダ干渉計の概略図であり、図６（ｆ）（ｇ）（ｈ）（ｉ）（ｊ）は図５のＦ−Ｆ’，Ｇ−Ｇ’，Ｈ−Ｈ’，Ｉ−Ｉ’，Ｊ−Ｊ’断面図である。
【００３４】
本実施例２においても実施例１と同様に、積層光導波路は火炎堆積法による石英系光導波路によって作製した。
【００３５】
図５，図６に示す層間マッハツェンダ干渉計は、層間光方向性結合器３１，３２と下部導波路層に形成された下部アーム導波路３３、および上部導波路層に形成された上部アーム導波路３４からなる。また、上部アーム導波路３４の真上には薄膜ヒータ３５を配置した。また、上部アーム導波路３４の幅Ｗｕはその全体にわたって７．５μｍとし、下部アーム導波路３３の幅Ｗｌはその全体にわたって６．５μｍとした。さらに、下部アーム導波路３３の高さＨｌ、上部アーム導波路３４の高さＨｕはともに６μｍとした。また、層間光方向性結合器３１，３２の光結合直線部の長さは２４０μｍ、層間ギャップは３μｍとした。
【００３６】
結局、下部アーム導波路３３のコア断面のアスペクト比をＲｌ＝Ｈｌ／Ｗｌ、上部アーム導波路のコア断面のアスペクト比をＲｕ＝Ｈｕ／Ｗｕと定義するときに、上部コアのアスペクト比Ｒｕと下部コアのアスペクト比ＲｌがＲｌ＞Ｒｕとなるようにしている。
【００３７】
層間マッハツェンダ干渉計の上部入力導波路３６へ入射した光波は、上部出力導波路３７へと出力されるが、薄膜ヒータ３５への印加電力により、出力強度は変化する。
【００３８】
図７は層間マッハツェンダ干渉計の薄膜ヒータ３５への印加電力と上部出力導波路３７への出力強度の関係である。図７に示されるように、ＯＦＦ電力はＴＭ偏波に対して０．４６Ｗ、ＴＥ偏波に対して０．４８Ｗと偏波依存性の小さい良好な特性が得られた。
【００３９】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば次のとおりである。すなわち、本発明によれば、積層光導波路の上部コアのアスペクト比Ｒｕと下部コアのアスペクト比ＲｌがＲｌ＞Ｒｕとなるようにしたので、積層光導波路において上下導波路層の偏波依存性の違いを解消することができる。
【００４０】
また、層間光方向性結合器に本発明を適用した場合、光結合直線部において、下部コアの高さＨｌと上部コアの高さＨｕとが等しく、下部コアのコア幅Ｗｌが上部コアのコア幅Ｗｕよりも狭くしたので、その結合率の偏波依存性は低減でき、ＴＭ，ＴＥ両偏波に対して良好に完全結合が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１にかかる、層間光方向性結合器を含む積層光導波路を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施例１にかかる、層間光方向性結合器を含む積層光導波路を示す上面図である。
【図３】本発明の実施例１にかかる、層間光方向性結合器を含む積層光導波路を示す断面図であり、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は図２のＡ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’，Ｃ−Ｃ’，Ｄ−Ｄ’，Ｅ−Ｅ’断面図である。
【図４】本発明の実施例１の層間光方向性結合器の光結合直線部の長さＬに対する結合率の変化を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例２にかかる層間マッハツェンダ干渉計を示す上面図である。
【図６】本発明の実施例２にかかる層間マッハツェンダ干渉計を示す断面図であり、図６（ｆ）（ｇ）（ｈ）（ｉ）（ｊ）は図５のＦ−Ｆ’，Ｇ−Ｇ’，Ｈ−Ｈ’，Ｉ−Ｉ’，Ｊ−Ｊ’断面図である。
【図７】本発明の実施例２の層間マッハツェンダ干渉計の印加電力に対する出力強度の関係を示すグラフである。
【図８】従来の層間光方向性結合器を含む積層光導波路を示す斜視図である。
【図９】従来の層間光方向性結合器を含む積層光導波路を示す上面図である。
【図１０】従来の層間光方向性結合器を含む積層光導波路を示す断面図であり、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）は図９のＡＡ−ＡＡ’、ＢＢ−ＢＢ’、ＣＣ−ＣＣ’断面図である。
【図１１】従来の層間光方向性結合器の結合特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１シリコン基板
２下部クラッド層
３，２１下部コア
４中間クラッド層
５，２２上部コア
６上部クラッド層
７光結合直線部
８ギャップ
３１，３２層間光方向性結合器
３３下部アーム導波路
３４上部アーム導波路
３５薄膜ヒータ

Claims

基板上に、下部クラッド層、下部コア、中間クラッド層、上部コア、上部クラッド層を順次積層してなる積層光導波路であって、
下部コア断面の高さをＨｌ、下部コア断面の幅をＷｌ、上部コア断面の高さをＨｕ、上部コア断面の幅をＷｕとし、下部コア断面のアスペクト比をＲｌ＝Ｈｌ／Ｗｌ、上部コア断面のアスペクト比をＲｕ＝Ｈｕ／Ｗｕと定義するときに、
前記上部コアのアスペクト比Ｒｕと下部コアのアスペクト比ＲｌがＲｌ＞Ｒｕとなることを特徴とする積層光導波路。
基板上に、下部クラッド層、下部コア、中間クラッド層、上部コア、上部クラッド層を順次積層してなる積層光導波路であって、
入力湾曲部において上部コアと下部コアがそれぞれの存在する平面上で光結合を生じる距離まで徐々に湾曲しながら接近し、一定長の光結合直線部において前記上部コアが前記下部コアの真上に位置しながら平行に延在し、再び出力湾曲部において前記上部コアと前記下部コアがそれぞれの存在する平面上で両コア間の光結合を生じない距離まで徐々に湾曲しながら離れていく構造の層間光方向性結合器を有し、
前記一定長の光結合直線部を構成する前記下部コアの高さＨｌと前記一定長の光結合直線部を構成する前記上部コアの高さＨｕとが等しく、
前記一定長の光結合直線部を構成する前記下部コアのコア幅Ｗｌが前記一定長の光結合直線部を構成する前記上部コアのコア幅Ｗｕよりも狭い構造の層間光方向性結合器を有することを特徴とする積層光導波路。
前記入力湾曲部において、前記下部コアが徐々にコア幅を狭めながら前記光結合直線部に向かって接近するとともに、
前記出力湾曲部において、前記下部コアが前記光結合直線部から徐々にコア幅を広げながら離れていく構造の層間光方向性結合器を有することを特徴とする請求項２に記載の積層光導波路。
前記積層光導波路はシリコン基板上に構成されたガラス導波路によることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の積層光導波路。