JP2006330109A

JP2006330109A - 偏波回転素子および光回路

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Publication number: JP2006330109A
Application number: JP2005150083A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fukuda; 浩福田; Koji Yamada; 浩治山田; Toshibumi Watanabe; 俊文渡辺; Yasushi Tsuchizawa; 泰土澤; Seiichi Itabashi; 聖一板橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2025-05-23
Also published as: JP4410149B2

Abstract

【課題】素子サイズが小さく、高密度集積化が可能で、安価で実装が容易な偏波無依存化デバイスを実現する。
【解決手段】偏波回転素子は、光伝搬方向と垂直な断面が矩形の第一のコア１７ａと、第一のコア１７ａを覆うように配置された、光伝搬方向と垂直な断面が矩形の第二のコア１７ｂと、第二のコア１７ｂを覆うように配置されたクラッドとから構成され、第一のコア１７ａの屈折率が第二のコア１７ｂおよびクラッドの屈折率よりも大きく、第二のコア１７ｂの屈折率がクラッドの屈折率よりも大きく、第一のコア１７ａの光伝搬方向の中心軸と第二のコア１７ｂの光伝搬方向の中心軸が異なるようにしたものである。
【選択図】図４

Description

本発明は、光通信用デバイスに係り、特に高屈折率差光導波路の偏波無依存化を実現する偏波回転素子、およびこの偏波回転素子を用いた光回路に関するものである。

現在の光通信用デバイスの大きな課題として、小型化、高集積化がある。平面光回路の小型化には大きく分けて二つの方法がある。
一つの方法は、ガラス光導波路をベースとしながら、反射型素子を部分的に用いて、光導波路の曲げ半径の限界を打破するというものである。このような方法によれば、反射型素子による挿入損失の増大などの特性劣化はあるものの、従来製品の１／１０程度に小型化が可能であり、偏波依存性が小さいという利点がある。しかしながら、デバイスの縮小率は１／１０程度であり、原理的にこれ以上の小型化は望めない。

もう一つの方法は、高屈折率差導波路を用いるというものである（例えば、非特許文献１参照）。この方法では、ガラス導波路と比較したときのデバイス面積を１／１００００以下に小型化することができる。特に、シリコンをコアとした導波路は、安価なデバイスを大量に提供することができると考えられ、多くの検討が進んでいる。

K.Yamada et al.，「Microphotonics Devices Based on Silicon Wire Waveguiding System」，IEICE TRANS.ELECTRON.，Vol.E87-C，No.3，2004，p.351-358

しかしながら、高屈折率差導波路には、入射光の偏波に対して依存性があるという大きな問題点があった。特に、光通信用デバイスに用いる際には、この偏波依存性が大きな障害となることが指摘されてきた。高屈折率差導波路では、コアの幅と高さが１μｍ以下であるため、正確な正方形コア断面を得ることが困難であり、コアの上下のクラッドの屈折率を正確に等しくすることも難しいので、加工精度を向上させただけでは偏波の無依存化は事実上不可能である。
また、高屈折率差導波路においては、光の閉じ込めが強いため、ガラス導波路のように波長板を用いた偏波の無依存化では挿入損失が大きくなりすぎるという問題があり、また量産の面でも実装コストがかさむという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、素子サイズが小さく、高密度集積化が可能であり、安価で実装が容易な偏波無依存化デバイスを実現することができる偏波回転素子および光回路を提供することを目的とする。

本発明の偏波回転素子は、光伝搬方向と垂直な断面が矩形の第一のコアと、この第一のコアを覆うように配置された、光伝搬方向と垂直な断面が矩形の第二のコアと、この第二のコアを覆うように配置されたクラッドとから構成され、前記第一のコアの屈折率が前記第二のコアおよび前記クラッドの屈折率よりも大きく、前記第二のコアの屈折率が前記クラッドの屈折率よりも大きく、前記第一のコアの光伝搬方向の中心軸と前記第二のコアの光伝搬方向の中心軸が異なるようにしたものである。
また、本発明の偏波回転素子の１構成例において、前記第一のコアは、シリコンからなり、前記第二のコアは、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜もしくは屈折率が１．５以上のポリマ材料からなり、前記クラッドは、シリコン酸化膜、ポリイミド樹脂もしくはエポキシ樹脂からなるものである。

また、本発明の偏波回転素子は、光伝搬方向と垂直な断面が矩形の第一のコアと、この第一のコアを覆うように配置された、光伝搬方向と垂直な断面が矩形の第二のコアと、前記第一のコアの入力端に配置された、前記第一のコアと一体形成された入力用導波路コアと、前記第一のコアの出力端に配置された、前記第一のコアと一体形成された出力用導波路コアと、前記第二のコア、前記入力用導波路コアおよび前記出力用導波路コアを覆うように配置されたクラッドとから構成され、前記入力用導波路コアは、断面積が一定の扁平な形状の入力部と、前記第一のコアと接続された、前記第１のコアと同じ断面形状の接続部と、前記入力部から前記接続部に向かって高さ一定のまま断面積が漸次減少するテーパ部とを備え、前記出力用導波路コアは、断面積が一定の扁平な形状の出力部と、前記第一のコアと接続された、前記第１のコアと同じ断面形状の接続部と、この接続部から前記出力部に向かって高さ一定のまま断面積が漸次増大するテーパ部とを備え、前記第一のコア、前記入力用導波路コアおよび前記出力用導波路コアの屈折率が前記第二のコアおよび前記クラッドの屈折率よりも大きく、前記第二のコアの屈折率が前記クラッドの屈折率よりも大きく、前記第一のコアの光伝搬方向の中心軸と前記第二のコアの光伝搬方向の中心軸が異なるようにしたものである。
また、本発明の偏波回転素子の１構成例において、前記第一のコア、前記入力用導波路コアおよび前記出力用導波路コアは、シリコンからなり、前記第二のコアは、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜もしくは屈折率が１．５以上のポリマ材料からなり、前記クラッドは、シリコン酸化膜、ポリイミド樹脂もしくはエポキシ樹脂からなるものである。

また、本発明の光回路は、偏波回転素子と、入射光を偏波面に応じて分離する偏波分離素子と、この偏波分離素子によって分離された偏波成分のうち一方を前記偏波回転素子に導く第１の導波路と、前記偏波分離素子によって分離された偏波成分のうち他方を導く第２の導波路と、前記偏波回転素子を通過した偏波成分と前記第２の導波路を通過した偏波成分とを合波する合波素子とを有するものである。

本発明によれば、第一のコアと第二のコアとクラッドとを設け、第一のコアの光伝搬方向の中心軸と第二のコアの光伝搬方向の中心軸が一致しない偏芯二重コア構造を採用し、この偏芯二重コア構造の光導波路中を、直線偏波の光を一定距離伝搬させることで、偏波状態を変化させることができる。したがって、本発明では、偏波回転素子の前段に偏波分離素子を設けることで、ＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分が混在した光を偏波面に応じて分離し、分離した一方の偏波成分（例えばＴＭ）を９０°回転させて他方の偏波成分に変化させ、偏波回転素子を通過した偏波成分と通過しない偏波成分とを合波することにより、全体として偏波無依存型導波路を実現することができる。その結果、本発明によれば、シリコン導波路のようなコアとクラッドの屈折率差が大きい高屈折率差導波路にとって従来から大きな課題であった偏波依存性を大幅に緩和するデバイス構造を実現することができる。また、本発明では、高屈折率差導波路において偏波無依存化を実現できることから、小型化、高密度集積化を実現でき、偏波の無依存化のために波長板を用いる必要がないので、安価で実装が容易なデバイスを実現することができる。

［第１の実施の形態］
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。本実施の形態は、高屈折率材料からなる第一のコアと、中程度の屈折率材料からなる第二のコアと、低屈折率材料からなるクラッドとから構成され、第一のコアと第二のコアの光伝搬方向の中心軸が異なる偏芯二重コア光導波路を用いて、偏波回転を実現する。

図１は、本実施の形態の偏波回転素子を用いた偏波無依存型導波路の構成を示すブロック図である。ＴＥ（Transverse Electric mode）偏波成分とＴＭ（Transverse Magnetic mode）偏波成分が混在した入射光１１は、偏波分離素子１２によってＴＥ偏波成分１３とＴＭ偏波成分１４に分離される。ＴＥ偏波成分１３は導波路１５を伝搬し、ＴＭ偏波成分１４は別の導波路１６を伝搬する。導波路１６には偏波回転素子１７が接続されており、これを通過することでＴＭ偏波成分１４はＴＥ偏波成分へと９０°回転させられる。導波路１５，１６は合波素子１８に接続されており、ＴＥ偏波成分１３と偏波回転素子１７を通過したＴＥ偏波成分とは合波素子１８により合波される。

２つの直交するＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分は分離、回転、合波の各過程において損失が少ないために信号の減衰が少なく、偏波回転素子１７の導波路長が十分に短ければ信号の歪もない。よって、図１の構成によれば、偏波依存性の大きな導波路をベースにしながら偏波無依存化を実現することができる。

図２は、偏波回転素子１７の構成を示す断面図である。図２では、紙面に垂直な方向が光伝搬方向である。偏波回転素子１７は、第一のコア１７ａと、第二のコア１７ｂと、クラッド１６ｚとを有する。図２の例では、第一のコア１７ａとして幅０．２μｍ×高さ０．２μｍのシリコン（屈折率３．５）を想定し、第二のコア１７ｂとして幅１μｍ×高さ１μｍのシリコン酸窒化膜（屈折率１．６）を想定し、クラッド１６ｚとしてシリコン酸化膜（屈折率１．４４）を想定している。

第一のコア１７ａの中心軸と第二のコア１７ｂの中心軸との偏芯量は、２つの直交する方向（図２の上下方向と左右方向）のそれぞれについて０．４μｍである。図２においては、Ａ軸方向とＢ軸方向が伝搬固有モードの軸になる。垂直偏波と水平偏波の各々の伝搬定数が異なるため、入射光が垂直偏波（ＴＭモード）の場合は伝搬中に回転を受け、一定距離伝搬した後に水平偏波（ＴＥモード）となる。

図３（ａ）、図３（ｂ）は、図２の偏波回転素子１７を３０μｍの長さにわたって波長１５５０ｎｍの光が伝搬する様子を示す図である。入射時の偏波はＴＭモードとする。図３（ａ）はＴＭ偏波成分のみを示し、図３（ｂ）はＴＥ偏波成分のみを示している。また、図３（ａ）、図３（ｂ）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示している。

図３（ａ）、図３（ｂ）から明らかなように、偏波回転素子１７に入射した直後はＴＭ偏波成分のみからなる。そして、次第にＴＭ偏波成分がＴＥ偏波成分に変わり、偏波回転素子１７の中を１５μｍ程度伝搬すると、ＴＭ偏波成分の強度とＴＥ偏波成分の強度がほぼ等しくなり、３０μｍ程度伝搬すると、完全にＴＥ偏波成分に変わる。したがって、長さ３０μｍの偏波回転素子１７は、波長が１５５０ｎｍの光に対しては、ＴＭ偏波をＴＥ偏波に９０°回転させる素子として機能することが分かる。

図４は、本実施の形態の偏波回転素子１７の具体例を示す斜視図である。偏波回転素子１７は、入力用導波路コア１６ａと、第一のコア１７ａと、第二のコア１７ｂと、出力用導波路コア１６ｂと、入力用導波路コア１６ａと第二のコア１７ｂと出力用導波路コア１６ｂとを覆うクラッド（不図示）によって構成されている。入力用導波路コア１６ａと第一のコア１７ａと出力用導波路コア１６ｂとは同一の材料からなり、一体形成されており、伝搬方向の中心軸が一致している。一方、第一のコア１７ａと第二のコア１７ｂとは伝搬方向の中心軸が一致していない偏芯二重コア構成となっている。

直線偏波である入射光は、入力用導波路コア１６ａより入射し、第１、第二のコア１７ａ，１７ｂを伝搬する際に偏波が回転し、所望の回転角だけ回転した後に出力用導波路１６ｂを伝搬して出射する。

入力用導波路コア１６ａと第一のコア１７ａと出力用導波路コア１６ｂの材料としては、シリコンなどの高屈折率材料を用いる。これらのコアの断面積は、シリコンを用いる場合は０．１μｍ² 以下である。クラッドの材料としては、第１、第二のコア１７ａ，１７ｂより低屈折率の材料を用いる。具体的には酸化シリコンやエポキシ樹脂、ポリイミド、その他の各種ポリマなどがある。第二のコア１７ｂの材料としては、第一のコア１７ａとクラッドの中間の屈折率を持つシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜、１．５以上の屈折率を持つポリマ材料などを用いる。第一のコア１７ａの材料がシリコンで、第二のコア１７ｂの材料が屈折率１．６のシリコン酸窒化膜の場合、第二のコア１７ｂの断面積は１．５μｍ² 以下である。

以上のように、本実施の形態の偏波回転素子１７では、第一のコア１７ａの光伝搬方向の中心軸と第二のコア１７ｂの光伝搬方向の中心軸が一致しない偏芯二重コア構造を採用し、この偏芯二重コア構造の光導波路中を、直線偏波の光を一定距離伝搬させることで、偏波状態を変化させることができる。そして、この偏波回転素子１７を用いることで、偏波無依存型導波路を実現することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図５は、本実施の形態の偏波回転素子１７の構成を示す斜視図である。本実施の形態の偏波面回転素子１７は、断面積が一定の扁平な形状の入力用導波路コア（入力部）１６ｃと、導波路コア１６ｃから第１のコア１７ａとの接続部に向かって高さ一定のまま断面積が漸次減少するテーパ形状の入力用導波路コア１６ｄと、第一のコア１７ａと、第二のコア１７ｂと、第１のコア１７ａとの接続部から出力部に向かって高さ一定のまま断面積が漸次増大するテーパ形状の出力用導波路コア１６ｅと、断面積が一定の扁平な形状の出力用導波路コア（出力部）１６ｆと、入力用導波路コア１６ｃ，１６ｄと第二のコア１７ｂと出力用導波路コア１６ｅ，１６ｆとを覆うクラッド（不図示）によって構成されている。ここで、扁平とは、幅をＷ、高さをＨとしたとき、Ｗ＞Ｈであることを言う。

入力用導波路コア１６ｃ，１６ｄと第一のコア１７ａと出力用導波路コア１６ｅ，１６ｆとは同一の材料からなり、一体形成されており、伝搬方向の中心軸が一致している。一方、第一のコア１７ａと第二のコア１７ｂとは伝搬方向の中心軸が一致していない偏芯二重コア構成となっている。

直線偏波である入射光は、入力用導波路コア１６ｃより入射するが、入力用導波路コア１６ｃが扁平形状であるために偏波は保持される。そして、入射光は、テーパ形状の入力用導波路コア１６ｄを経て第１、第二のコア１７ａ，１７ｂを伝搬する際に偏波が回転し、所望の回転角だけ回転した後にテーパ形状の出力用導波路コア１６ｅを経て出力用導波路１６ｆに出力される。出力用導波路コア１６ｆが扁平形状であるために偏波は保持される。

入力用導波路コア１６ｃ，１６ｄと第一のコア１７ａと出力用導波路コア１６ｅ，１６ｆの材料としては、シリコンなどの高屈折率材料を用いる。これらのコアの断面積は、シリコンを用いる場合は０．１μｍ² 以下である。クラッドの材料としては、第１、第二のコア１７ａ，１７ｂより低屈折率の材料を用いる。具体的には酸化シリコンやエポキシ樹脂、ポリイミド、その他の各種ポリマなどがある。第二のコア１７ｂの材料としては、第一のコア１７ａとクラッドの中間の屈折率を持つシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜、１．５以上の屈折率を持つポリマ材料などを用いる。第一のコア１７ａの材料がシリコンで、第二のコア１７ｂの材料が屈折率１．６のシリコン酸窒化膜の場合、第二のコア１７ｂの断面積は１．５μｍ² 以下である。
本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

［第３の実施の形態］
第２の実施の形態では、図５に示したように第二のコア１７ｂが第一のコア１７ａのみを覆っているが、これに限るものではなく、第二のコア１７ｂが、第一のコア１７ａだけでなく、入力用導波路コア１６ｃ，１６ｄ及び出力用導波路コア１６ｅ，１６ｆの一部あるいは全体を覆うようにしてもよい。

本発明は、光通信用デバイスに適用することができる。

本発明の第１の実施の形態となる偏波回転素子を用いた偏波無依存型導波路の構成を示すブロック図である。図１の偏波回転素子の構成を示す断面図である。図２の偏波回転素子を光が伝搬する様子を示す図である。図２の偏波回転素子の具体例を示す斜視図である。本発明の第２の実施の形態となる偏波回転素子の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１１…入射光、１２…偏波分離素子、１３…ＴＥ偏波成分、１４…ＴＭ偏波成分、１５、１６…導波路、１６ａ，１６ｃ，１６ｄ…入力用導波路コア、１６ｂ，１６ｅ，１６ｆ…出力用導波路コア、１７…偏波回転素子、１７ａ…第一のコア、１７ｂ…第二のコア、１８…合波素子。

Claims

光伝搬方向と垂直な断面が矩形の第一のコアと、
この第一のコアを覆うように配置された、光伝搬方向と垂直な断面が矩形の第二のコアと、
この第二のコアを覆うように配置されたクラッドとから構成され、
前記第一のコアの屈折率が前記第二のコアおよび前記クラッドの屈折率よりも大きく、
前記第二のコアの屈折率が前記クラッドの屈折率よりも大きく、
前記第一のコアの光伝搬方向の中心軸と前記第二のコアの光伝搬方向の中心軸が異なることを特徴とする偏波回転素子。
請求項１記載の偏波回転素子において、
前記第一のコアは、シリコンからなり、
前記第二のコアは、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜もしくは屈折率が１．５以上のポリマ材料からなり、
前記クラッドは、シリコン酸化膜、ポリイミド樹脂もしくはエポキシ樹脂からなることを特徴とする偏波回転素子。
光伝搬方向と垂直な断面が矩形の第一のコアと、
この第一のコアを覆うように配置された、光伝搬方向と垂直な断面が矩形の第二のコアと、
前記第一のコアの入力端に配置された、前記第一のコアと一体形成された入力用導波路コアと、
前記第一のコアの出力端に配置された、前記第一のコアと一体形成された出力用導波路コアと、
前記第二のコア、前記入力用導波路コアおよび前記出力用導波路コアを覆うように配置されたクラッドとから構成され、
前記入力用導波路コアは、断面積が一定の扁平な形状の入力部と、前記第一のコアと接続された、前記第１のコアと同じ断面形状の接続部と、前記入力部から前記接続部に向かって高さ一定のまま断面積が漸次減少するテーパ部とを備え、
前記出力用導波路コアは、断面積が一定の扁平な形状の出力部と、前記第一のコアと接続された、前記第１のコアと同じ断面形状の接続部と、この接続部から前記出力部に向かって高さ一定のまま断面積が漸次増大するテーパ部とを備え、
前記第一のコア、前記入力用導波路コアおよび前記出力用導波路コアの屈折率が前記第二のコアおよび前記クラッドの屈折率よりも大きく、
前記第二のコアの屈折率が前記クラッドの屈折率よりも大きく、
前記第一のコアの光伝搬方向の中心軸と前記第二のコアの光伝搬方向の中心軸が異なることを特徴とする偏波回転素子。
請求項３記載の偏波回転素子において、
前記第一のコア、前記入力用導波路コアおよび前記出力用導波路コアは、シリコンからなり、
前記第二のコアは、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜もしくは屈折率が１．５以上のポリマ材料からなり、
前記クラッドは、シリコン酸化膜、ポリイミド樹脂もしくはエポキシ樹脂からなることを特徴とする偏波回転素子。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の偏波回転素子と、
入射光を偏波面に応じて分離する偏波分離素子と、
この偏波分離素子によって分離された偏波成分のうち一方を前記偏波回転素子に導く第１の導波路と、
前記偏波分離素子によって分離された偏波成分のうち他方を導く第２の導波路と、
前記偏波回転素子を通過した偏波成分と前記第２の導波路を通過した偏波成分とを合波する合波素子とを有することを特徴とする光回路。