JP2006301501A - 偏波面分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型の偏波面分離装置を提供する。
【解決手段】偏波面分離装置は、平面基板上に形成された、方向性結合器を構成する２本の導波路１ａ，１ｂを有し、各導波路１ａ，１ｂは、それぞれシリコンからなるコアと、このコアを覆う酸化シリコン若しくは酸窒化シリコンのいずれか一方、又は酸化シリコンと酸窒化シリコンの混成物からなるクラッドとから構成され、コアは、断面が方形又は台形で、幅Ｗと高さＨ（Ｗ＞Ｈ）が共に２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の偏平な形状をしている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリコンをコアに用いたシリコン平面光回路に係り、特に方向性結合器型の偏波面分離装置に関するものである。

従来のシリコン平面光回路の方向性結合器型偏波面分離装置は、例えば非特許文献１で提案されているようなリブ型シリコン導波路を使用した構造であり、その長さは方向性結合器の出入部分を含めると３ｍｍ以上である。図６は非特許文献１に開示された従来の偏波面分離装置の平面図、図７は図６の偏波面分離装置を構成するリブ型導波路のＡ−Ａ線断面図である。図６において、１１はリブ型導波路、１２は結合部、１３は入力部、１４は出力部（Ｓ字偏向部）である。結合部１２の長さＬｃは１００μｍ〜２３００μｍ、出力部１４の長さＬｏは３０００μｍである。

図７に示すように、リブ型導波路１１は、シリコンからなる基板１５と、基板１５上に形成された酸化シリコンからなるアンダークラッド１６と、シリコンからなるスラブ１７と、スラブ１７と一体成形されたシリコンからなる装架部１８と、酸化シリコンからなるオーバークラッド１９とから構成される。装架部１８の高さＨは１μｍ、幅Ｗは同じく１μｍ、スラブ１７の高さｈは０．６μｍである。

Isa Kiyat et al.，「A Compact Silicon-on-Insulator Polarization Splitter」，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，Vol.17，No.1，2005，p.100-102

シリコン平面光回路の特徴は光回路の微小化にあるため、偏波面分離装置などの個別部品の小型化は非常に重要である。しかしながら、図６に示した従来の偏波面分離装置では、結合部１２で１００μｍ以上、そして出力部１４で３ｍｍ以上の長さを要している。このため、既に数百μｍ以下の長さとなっている他のシリコン光回路部品に比べると桁違いに大きいという問題点があり、光回路の小型化・集積化の障害となっている。

偏波面分離装置が大型になってしまう原因は以下の２点である。まず、結合部１２の長さが１００μｍ以上必要になる原因は、方向性結合器に用いる導波路にリブ型導波路を使用しているため、有効屈折率の偏波面依存性△ｎ_TE／TM が０．０２以下と小さいためである。また、出力部１４の長さが３ｍｍ以上になる原因は、やはりリブ型導波路を使用しているために、出力部１４の曲げ半径が数百μｍ以下にできないためである。
本発明は、前記の課題を解決し、小型の偏波面分離装置を提供することを目的とする。

本発明は、入射した光を偏波面に応じて分離する方向性結合器型の偏波面分離装置であって、平面基板上に形成された、方向性結合器を構成する２本の導波路を有し、各導波路は、それぞれシリコンからなるコアと、このコアを覆う酸化シリコン若しくは酸窒化シリコンのいずれか一方、又は酸化シリコンと酸窒化シリコンの混成物からなるクラッドとから構成され、前記コアは、断面が方形又は台形で、幅Ｗと高さＨ（Ｗ＞Ｈ）が共に２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の偏平な形状をしているものである。
また、本発明の偏波面分離装置の１構成例は、前記方向性結合器の結合部の長さが５μｍ以上１００μｍ以下で、前記結合部における前記２本の導波路の間隔が１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。
また、本発明の偏波面分離装置の１構成例は、前記方向性結合器の入力部及び出力部を構成する前記２本の導波路の曲線部の半径が５μｍ以上５０μｍ以下である。

本発明によれば、方向性結合器を構成する２本の導波路のコアを、幅Ｗと高さＨ（Ｗ＞Ｈ）が共に２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の偏平な形状とすることにより、小型の偏波面分離装置を実現することができ、高度に集積化された光処理回路の実用的な産業利用が可能となる。

また、方向性結合器の結合部の長さを５μｍ以上１００μｍ以下とし、結合部における２本の導波路の間隔を１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることにより、加工が容易で、かつ偏波面分離機能が得られる範囲で、小型の偏波面分離装置を実現することができる。

また、方向性結合器の入力部及び出力部を構成する２本の導波路の曲線部の半径を５μｍ以上５０μｍ以下とすることにより、分離する偏波に損失が発生せず、かつ偏波面分離機能が得られる範囲で、小型の偏波面分離装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態となる方向性結合器型の偏波面分離装置の平面図、図２は図１の偏波面分離装置を構成するシリコン細線導波路のＡ−Ａ線断面図である。本実施の形態の偏波面分離装置は、平面基板上に形成された２本のシリコン細線導波路１ａ，１ｂから構成される。図１において、２は結合部、３は入力部、４は出力部（Ｓ字偏向部）である。

結合部２の光伝搬方向の長さＬ２は５μｍ以上１００μｍ以下、入力部３の長さＬ３は１００μｍ以下、出力部４の長さＬ４は１００μｍ以下、結合部２における導波路１ａと１ｂの間隔ｇは１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。また、入力部３及び出力部４における導波路１ａの偏向半径Ｒと出力部４における導波路１ｂの偏向半径Ｒは、５μｍ以上５０μｍ以下である。

なお、図１の例では、入力部３を曲線状にしているが、図６に示した従来の偏波面分離装置と同様に直線状にしてもよい。また、導波路１ｂについては入力側が切れているが、通常の４ポート方向性結合器のように、導波路１ｂについても外部からの入力が可能になっていても構わない。

シリコン細線導波路１ａ，１ｂは、別名埋め込み型チャンネル導波路と呼ばれるものであり、図２に示すように、シリコンからなる平面基板５と、断面が方形あるいは台形の扁平なシリコンからなるコア６と、コア６を覆うクラッド７とから構成される。コア６は、幅Ｗが２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下、高さＨが同じく２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下で、かつＷ＞Ｈを満たす偏平な形状をしている。クラッド７は、酸化シリコン若しくは酸窒化シリコンのいずれか一方、又は酸化シリコンと酸窒化シリコンの混成物からなる。

シリコン細線導波路１ａ，１ｂの詳細については、例えば文献「K.Yamada et a1.，“Microphotonics Devices Based on Silicon Wire Waveguiding System”，IEICE Transaction on Electronics，Vol.E87-C，No.3，2004，p.351-358」に記載されている。シリコン細線導波路を偏波面分離装置に用いるためには有効屈折率の偏波面依存性が大きい必要があるが、この有効屈折率の偏波面依存性を大きくするには、導波路のコア断面形状を扁平にすればよい。

図３は、シリコン細線導波路１ａ，１ｂの有効屈折率の光波長依存性の１例を示す図である。図３の例では、コア６の幅Ｗを４００ｎｍ、高さＨを２００ｎｍとしている。図３によれば、通信用の波長１５００ｎｍ近傍の赤外線における当該導波路の有効屈折率はＴＥ（Transverse Electric mode）モードで２．２、ＴＭ（Transverse Magnetic mode）モードで１．６程度となり、これらの有効屈折率の差である偏波面依存性△ｎ_TE／TM は０．６程度となり、図６、図７に示した従来のリブ型導波路の場合に比べて２０倍以上も大きいことが分かる。

また、偏波面を分離するには、それぞれの偏波に対し単一モードで伝播する導波路が必要であるが、このことはコア６の断面寸法を小さくしなければならないことを意味する。例えば文献「Y.A.Vlasov et al.，“Losses in single-mode silicon-on-insulator strip waveguides and bends”，OPTICS EXPRESS，Vol.12，No.8，2004，p.1622-1631 」には様々なシリコン細線導波路の例が記載されているが、これらの記載から単一モード条件を満たすコア６の最大寸法は５００ｎｍと推測される。この最大寸法５００ｎｍは主としてコア６の幅Ｗに対応している。

また、出力部４の長さＬ４を短くするためには偏向半径Ｒを小さくする必要があるが、そのためにはシリコン細線導波路１ａ，１ｂのコア６ヘの光の閉じ込めが強くなければならない。すなわち、コア６の断面寸法をある程度大きくする必要がある。前述の文献「Y.A.Vlasov et al.，“Losses in single-mode silicon-on-insulator strip waveguides and bends”，OPTICS EXPRESS，Vol.12，No.8，2004，p.1622-1631 」では数μｍの曲げ半径で偏向可能なシリコン細線導波路が多数列挙されているが、これらの記載からコア６の最小寸法は２００ｎｍとなる。この最小寸法２００ｎｍは主としてコア６の高さＨに対応している。

実際に偏波面分離装置を設計し、光伝搬状態を数値計算した結果を図４、図５に示す。ただし、図４、図５では、偏波面動作に重要な結合部２のみを示し、入力部３及び出力部４は省略してある。図４、図５の光伝搬方向、平面方向は、それぞれ図１の左右方向、上下方向に対応している。また、図４、図５に示す光伝搬状態は、明るい部分ほど光パワーが強いことを表している。

図４（ａ）、図４（ｂ）は結合部２における導波路間隔ｇが比較的狭い場合（ｇ＝１４０ｎｍ）の光伝搬状態を示している。結合部２の長さＬ２は７．６μｍである。シリコン細線導波路１ａの入力部３に入った光は、ＴＥモードでは図４（ａ）のようにシリコン細線導波路１ｂの出力部側に出力され、ＴＭモードでは図４（ｂ）のようにシリコン細線導波路１ａの出力部側に出力される。これにより、偏波面分離されていることが分かる。

図５（ａ）、図５（ｂ）は結合部２における導波路間隔ｇが比較的広い場合（ｇ＝３１０ｎｍ）の光伝搬状態を示している。結合部２の長さＬ２は２７．５μｍである。この場合も、シリコン細線導波路１ａの入力部３に入った光は、ＴＥモードでは図５（ａ）のようにシリコン細線導波路１ｂの出力部側に出力され、ＴＭモードでは図５（ｂ）のようにシリコン細線導波路１ａの出力部側に出力される。

さらに導波路間隔ｇを広くした場合、原理的にはより長い結合部２の長さで偏波面分離が可能な解も考えられるが、シリコン細線導波路では導波路間隔ｇがコア６の幅Ｗを超えると急激に隣接導波路間の結合が失われ、事実上方向性結合器として動作しない。したがって、上述したコア６の幅Ｗの最大値である５００ｎｍを導波路間隔ｇの上限値として差し支えない。また、導波路間隔ｇが５００ｎｍ程度である場合に偏波面分離装置としての動作を与える結合部２の長さＬ２は、詳しい計算によると１００μｍ程度になる。したがって、結合部２の長さＬ２の上限値は１００μｍとなる。

また、導波路間隔ｇが小さいと、短い結合部２で偏波面分離機能が得られる可能性があるが、導波路間隔ｇが１００ｎｍ以下になると、加工精度が導波路１ａと１ｂの結合度に与える影響が大きくなり、事実上製作が困難となる。したがって、導波路間隔ｇの下限値は１００ｎｍとなる。また、導波路間隔ｇが１００ｎｍ程度の場合に偏波面分離装置としての動作を与える結合部２の長さＬ２は５μｍ程度と推測される。したがって、結合部２の長さＬ２の下限値は５μｍとなる。

また、文献「T.Tsuchizawa et a1.，“Fabrication and evaluation of submicron-square Si wire waveguides with spot size converters”，Proc of the 15th Annual Meeting of IEEE Laser & Electro-Optics Society，Glasgow，2002，p.287-288」によれば、偏向半径Ｒが５μｍより小さいと、ＴＥ、ＴＭの両偏波とも損失が発生することが示されている。したがって、入力部３及び出力部４における導波路１ａ，１ｂの偏向半径Ｒの下限値は５μｍである。また、偏向半径Ｒが大きいと、入力部３及び出力部４における導波路１ａと１ｂの結合が偏波面分離機能に悪影響を与えるとともに、装置サイズを大きくしてしまい、小型の偏波面分離装置を提供するという本発明の目的に反する。微小光回路のサイズを１００μｍ以下と定義すれば、５０μｍ以上の偏向半径Ｒを持つ導波路の使用は好ましくない。

以上のように、本実施の形態によれば、方向性結合器を構成する２本の導波路１ａ，１ｂのコア６を、幅Ｗと高さＨがＷ＞Ｈを満たす偏平な形状とすることにより、導波路１ａ，１ｂの有効屈折率の偏波面依存性を大きくすることができ、方向性結合器の結合部２の長さＬ２をリブ型導波路を使用する場合に比べて短くすることができる。また、コア６の幅Ｗと高さＨを共に２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることにより、偏波面分離機能が得られる範囲で、偏向半径Ｒを小さくすることができる。その結果、本実施の形態では、小型の偏波面分離装置を実現することができる。

本発明は、シリコンをコアに用いたシリコン平面光回路に適用することができる。

本発明の実施の形態となる方向性結合器型の偏波面分離装置の平面図である。 図１の偏波面分離装置を構成するシリコン細線導波路の断面図である。 シリコン細線導波路の有効屈折率の光波長依存性の１例を示す図である。 図１の偏波面分離装置の偏波面分離動作の１例を示す図である。 図１の偏波面分離装置の偏波面分離動作の他の例を示す図である。 従来の偏波面分離装置の平面図である。 図６の偏波面分離装置を構成するリブ型導波路の断面図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ…シリコン細線導波路、２…結合部、３…入力部、４…出力部、５…平面基板、６…コア、７…クラッド。

Claims (3)

1. 入射した光を偏波面に応じて分離する方向性結合器型の偏波面分離装置であって、
   平面基板上に形成された、方向性結合器を構成する２本の導波路を有し、
   各導波路は、それぞれシリコンからなるコアと、このコアを覆う酸化シリコン若しくは酸窒化シリコンのいずれか一方、又は酸化シリコンと酸窒化シリコンの混成物からなるクラッドとから構成され、
   前記コアは、断面が方形又は台形で、幅Ｗと高さＨ（Ｗ＞Ｈ）が共に２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の偏平な形状をしていることを特徴とする偏波面分離装置。
2. 請求項１記載の偏波面分離装置において、
   前記方向性結合器の結合部の長さが５μｍ以上１００μｍ以下で、前記結合部における前記２本の導波路の間隔が１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする偏波面分離装置。
3. 請求項１又は２記載の偏波面分離装置において、
   前記方向性結合器の入力部及び出力部を構成する前記２本の導波路の曲線部の半径が５μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする偏波面分離装置。