JP2011221291A

JP2011221291A - 光導波回路及び光導波回路の製造方法

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Publication number: JP2011221291A
Application number: JP2010090451A
Authority: JP
Inventors: Shinya Watanabe; 真也渡邊
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2011-11-04
Anticipated expiration: 2030-04-09
Also published as: US8442364B2; JP5402802B2; CN102213794A; CN102213794B; US20110249937A1

Abstract

【課題】干渉計を構成する各光導波路を、光路長のばらつきを抑制して製造することができる光導波回路を提供する。
【解決手段】第１の入力光を２分岐して、第１および第２の光導波路に出力する、第１の光分岐素子と、前記第１および第２の光導波路の間に配置され、第２の入力光を分岐して、第３および第４の光導波路に出力する、第２の光分岐素子と、前記第１および第３の光導波路を伝播する光波を合流した後、分岐して出力する、第１の光結合器と、前記第２および第４の光導波路を伝播する光波を合流した後、分岐して出力する、第２の光結合器と、を有し、前記第１と第２の光導波路の対、並びに前記第２と第３の光導波路の対のうち、いずれか一方の対のみ光路長が等しく設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は光導波回路に関し、特に光路長のばらつきを制御することのできる光導波回路に関する。

近年、100Gbit/秒を超える超高速通信において、波長利用効率、受信特性、分散補償能力に優れる偏波直交多重多値デジタル信号変調方式（DP-QPSK: Dual Polarization Differential Quadrature Phase Shift Keying）による通信技術が注目されている。DP-QPSK方式における受信器（レシーバ）には、光信号をＴＥ（Transverse Electric）光信号とＴＭ（Transverse Magnetic）光信号とに偏波分離する機能と、これら偏波分離した光信号から位相情報を取り出すための９０度光ハイブリッド機能が必要とされる。この位相情報は、互いにπの位相差を有するＩｐとＩｎ、並びにＩｐとＩｎに対してそれぞれπ／２の位相遅延を有するＱｐとＱｎとからなる、Ｉ−Ｑ平面上の４値の位相情報である。

このようなDP-QPSK方式のレシーバの機能を実現するデバイスには、光導波路技術を用いた平面光波回路が有力とされ、近年開発が進められている。光導波路技術は、半導体集積回路製造プロセスと同様の微細加工技術により、基板上に多様な形状の光導波路を形成するもので、集積化や量産に適したものである。

例えば非特許文献１には図６に示す光波回路構造が記載されている。この光波回路は、上述した偏波分離機能と９０度光ハイブリッド機能とを平面光回路内に集積した、一般的な光波回路構成を有するものである。図７は、その９０度光ハイブリッド機能を担っている部分のうち、ＴＥ光信号側の平面光回路の構成を模式図として示したものである。

図７において、１６、１７は光分岐素子、１８〜２１は光導波路アーム、２２、２３は２入力２出力の光結合器である。アーム１８〜２１は干渉計を構成し、アーム１８〜２０は長さが等しく、アーム２１の長さは他のアームよりも光導波路内を伝播する光波波長の１／４に相当する分だけ長くすることによって、伝播する光波に位相差を付与している。これにより光結合器２２、２３からは、Ｉ−Ｑ平面上の４値の位相情報がそれぞれ出力され、上述の９０度光ハイブリッド機能が実現されている。

橋本俊和、他７名、「平面光波回路を用いた偏波多重光ハイブリッドモジュール」、２００９年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会エレクトロニクス講演論文集１、２００９年９月１５日、ｐ．１９４

上述の９０度光ハイブリッド干渉計は、特性のばらつきを抑制するためには、対をなす光導波路アームの光路長差を厳密に制御する必要がある。しかしながら９０度光ハイブリッド干渉計は、その機能を実現するための光導波回路の形状、レイアウトが複雑なため、製造加工の際にそれぞれの導波路アームの光路長を制御するのが難しいという問題がある。すなわち、各光導波路アームの長さをフォトマスク上で正確に調整しても、パターニング精度、屈折率ばらつき、膜同士や基板との間に生じる応力、光導波路コアの変形など、様々なプロセス上の要因により光路長差はばらつきを生じる。その結果、９０度光ハイブリッド干渉計としての特性が許容範囲に収まらない場合が生じるため、十分な製造歩留りを得ることができない。

本発明は、上記の問題を解決し、干渉計を構成する各光導波路アームを、光路長のばらつきを抑制して製造することができる、光導波回路及び光導波回路の製造方法を提供することである。

本発明の光導波路回路は、第１の入力光を分岐して、第１および第２の光導波路に出力する、第１の光分岐素子と、前記第１および第２の光導波路の間に配置され、第２の入力光を分岐して、第３および第４の光導波路に出力する、第２の光分岐素子と、前記第１および第３の光導波路を伝播する光波を合流した後、分岐して出力する、第１の光結合器と、前記第２および第４の光導波路を伝播する光波を合流した後、分岐して出力する、第２の光結合器と、を有し、前記第１と第２の光導波路の対、並びに前記第２と第３の光導波路の対のうち、いずれか一方の対のみ光路長が等しく設定されていることを特徴としている。

また本発明の光導波路回路の製造方法は、第１の入力光を分岐して、第１および第２の光導波路に出力する、第１の光分岐素子と、前記第１および第２の光導波路の間に配置され、第２の入力光を分岐して、第３および第４の光導波路に出力する、第２の光分岐素子と、前記第１および第３の光導波路を伝播する光波を合流した後、分岐して出力する、第１の光結合器と、前記第２および第４の光導波路を伝播する光波を合流した後、分岐して出力する、第２の光結合器と、を設ける手順を有し、前記第１と第２の光導波路の対、並びに前記第２と第３の光導波路の対のうち、いずれか一方の対のみ光路長を等しく設定することを特徴としている。

本発明によれば、干渉計を構成する各光導波路アームを、光路長のばらつきを抑制して製造することができる、光導波回路及び光導波回路の製造方法を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態の光導波回路の構成を示す模式図である。本発明の第２の実施の形態の９０度光ハイブリッド干渉計の構成を示す模式図である。本発明に用いられる光結合器としての、方向性結合器およびマッハツェンダー干渉計の構成を示す模式図である。本発明の第３の実施の形態の光導波回路の構成を示す模式図である。本発明の第４の実施の形態の光導波回路の構成を示す模式図である。一般的なDP-QPSK方式の受信器の構成の例を示す模式図である。図６に示すDP-QPSK方式の受信器における、90度光ハイブリッド干渉計部分の構成を示す模式図である。

次に本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の一実施の形態を示す光導波回路の模式図である。図１において光分岐素子１は、第１の入力光を分岐して光導波路２、３に出力する。また光分岐素子４は、光導波路２、３の間に配置されており、第２の入力光を分岐して光導波路５、６に出力する。さらに光結合器７は、光導波路２、５を伝播する光波を合流した後、分岐して出力する。同様に光結合器８は、光導波路３、６を伝播する光波を合流した後、分岐して出力する。なおここでは、光導波路２と３は、共に等しい光路長を有し、一方、光導波路５および６には、光路長差が設けられている。

以上の光導波回路により干渉計を構成した場合、図７に示すような構成の干渉計に対し、光導波路５および６は、光結合器７および８の直前で分岐することから、それぞれ長さを極めて短くすることができる。さらに光導波路５および６が短くなるため、光導波回路全体のサイズを小さくすることもできる。

以上のようにこの実施の形態では、光導波路の長さを大幅に短くできるため、パターニング精度、屈折率ばらつき、膜同士や基板との間に生じる応力、光導波路コアの変形など、光路長のばらつき要因の影響を効果的に低減できる。したがって干渉計を構成する各光導波路を、光路長のばらつきを抑制して製造することができる。
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態として、本発明の光導波回路を９０度光ハイブリッド干渉計に適用した場合の構成を示す模式図である。図２においては、図１と共通する構成要素についてはいずれも同じ符号を記してある。

図２において、入力光導波路９には信号光が、入力光導波路１０には局部発振光がそれぞれ入力される。そして入力光導波路９を伝播する信号光は光分岐素子１により光導波路２および３へそれぞれ分岐される。一方、入力光導波路１０は光導波路３と交差し、入力光導波路１０を伝播する局部発振光は、光導波路２、３の間に配置された光分岐素子４により光導波路５および６へそれぞれ分岐される。光導波路２および５をそれぞれ伝播する信号光および局部発振光は、2入力2出力の光結合器７にて結合し、また光導波路３および６をそれぞれ伝播する信号光および局部発振光は、2入力2出力の光結合器８にて結合する。そして光結合器７および８からそれぞれ出力する一対の出力光は、出力光導波路１１〜１４を伝播して外部へ出力される。なおここで、光導波路２および３は、共に等しい光路長を有している。一方、光導波路５および６については、信号光の波長をλ、光導波路の等価屈折率をｎとすると、光導波路６の光路長は光導波路５の光路長に比べてλ/(4n)だけ長くしてある。

なお光結合器７および８としては、図３（ａ）に示すような、一般的な2入力2出力の光結合器である方向性結合器を用いることができる。またいずれか、あるいはすべての光結合器に図３（ｂ）に示すようなマッハツェンダー干渉計や、図３（ｃ）に示すようなマルチモード干渉計を用いてもよい。マッハツェンダー干渉計やマルチモード干渉計は構造上、方向性結合器に比べて、加工精度の問題等により光結合強度が設計値からずれを生じたとしても、特性に与える影響を抑えることができる利点がある。

このように構成した９０度光ハイブリッド干渉計のサイズは次のように決めることができる。まず出力光導波路１１〜１４は互いに光結合を起こさない間隔で配置する必要がある。例えば光導波路を構成するコアとクラッドの比屈折率差を１．５％としている場合、出力光導波路１１〜１４の平行部分は１０μｍ以上の間隔で配置する。出力光導波路１１〜１４の間隔が決まれば光結合器７と８との間隔が決まり、また光導波路５および６については、両者が所定の光路長差を持つように導波路を構成する各曲線部分および直線部分の長さを調整してレイアウトすることができる。光分岐素子４については、光を２分岐するまでに導波路のスポットを徐々に広げる必要があり、ある程度の長さを必要とする。例えば光導波路コアの幅が４μｍの場合には、光分岐素子の長さを５４０μｍに設定する。なお光導波路２と３との平行部分の間隔は、光結合器７と８との間隔および光導波路５および６のレイアウトで決まる。また光導波路２、３の長さは両者の間隔と、両者の間において光導波路５、６および光分岐素子４が占める幅などによって決まる。

このように９０度光ハイブリッド干渉計を構成することにより、光導波路５、６の長さは共に、せいぜい数十μｍ程度に抑えることができる。通常、図７に示すような構成の９０度光ハイブリッド干渉計の場合、各光導波路アームの長さは数ｍｍに及ぶ。この実施の形態では、各光導波路アームの長さを大幅に短縮した９０度光ハイブリッド干渉計を構成することができ、光路長のばらつきの抑制が容易になる。また同時に９０度光ハイブリッド干渉計全体の小型化にも寄与することができる。

なお、以上の構成の光導波路は、一般的な半導体製造プロセスに用いられる微細加工技術を適用して製造することができる。例えば、シリコン基板上に下部クラッド層となる低屈折率のシリコン酸化膜を化学気相成長法で１０μｍの厚さで成膜した後、コア層となる高屈折率のシリコン酸化膜を４μｍの厚さで積層する。その後このコア層を、上述した所定の導波路形状のパターンを有するフォトマスクを用いて、フォトリソグラフィー法により幅４μｍの光導波路コアとしてパターニングする。さらに上部クラッド層となる低屈折率のシリコン酸化膜を１０μｍの厚さで積層し、上述の光導波路コア上を覆うことにより、所定の光導波路を構成することができる。なおシリコン酸化膜の屈折率はリンやホウ素のドープ量により任意に調整することができる。
（第３の実施の形態）
図４は本発明の第３の実施の形態を示す模式図である。図２に示したように、本発明の第２の実施の形態においては、入力光導波路１０は光導波路３と交差する部分を有している。この交差部においては、クロストーク、すなわち本来導波してはならない導波路側に光が結合してしまう現象の防止はもちろん、過剰損の発生を回避するために、交差角度をできるだけ直角に近づけた設計としなければならい。ここで、図２に示すように入力光導波路１０が光導波路３の直線部分で交差している場合、光導波回路全体のサイズを大きくしないと十分な交差角度が得られないことがある。そこで本発明の第３の実施の形態では図４に示すように、入力光導波路１０を光導波路３の曲線部分で交差させている。このように入力光導波路１０と光導波路３とを交差させることにより、十分な交差角度が容易に得られる。

このように第３の実施の形態では、光導波回路全体のサイズを拡大することなく、入力光導波路１０と光導波路３とを、クロストークや過剰損の発生のない、十分大きい角度で交差させることができる。
（第４の実施の形態）
図５は本発明の第４の実施の形態を示す模式図である。ここでは、光導波路２において、光導波路３と入力導波路１０との交差部分と対称形状をなすような、ダミー導波路１５が設けられている。

第４の実施の形態では、交差部によって光導波路の光路長に変化が生じた場合でも、二つの光導波路で同じような変化となるため、基本的に二つの光導波路アームの光路長差は変化しない。また、もし設計パラメータ補正の必要が生じた場合においても、双方の光導波路の交差部分は対称形状をなしているため、共に同様な補正を行えばよく、解析や設計の手間を大幅に省ける。
（付記１）
第１の入力光を分岐して、第１および第２の光導波路に出力する、第１の光分岐素子と、
前記第１および第２の光導波路の間に配置され、第２の入力光を分岐して、第３および第４の光導波路に出力する、第２の光分岐素子と、
前記第１および第３の光導波路を伝播する光波を合流した後、分岐して出力する、第１の光結合器と、
前記第２および第４の光導波路を伝播する光波を合流した後、分岐して出力する、第２の光結合器と、を有し、
前記第１と第２の光導波路の対、並びに前記第２と第３の光導波路の対のうち、いずれか一方の対のみ光路長が等しく設定されていることを特徴とする、光導波回路。
（付記２）
前記第２の入力光伝播する光導波路が、前記第１または第２の光導波路のいずれか一方と交差することを特徴とする、付記１に記載の光導波回路。
（付記３）
前記第２の入力光伝播する光導波路が、前記第１または第２の光導波路のいずれか一方の、曲線部分で交差することを特徴とする、付記２に記載の光導波回路。
（付記４）
前記第１および第２の光結合器のうち、少なくとも一つにマッハツェンダー干渉計を用いることを特徴とした、付記１乃至３のいずれかに記載の光導波回路。
（付記５）
前記第１および第２の光結合器のうち、少なくとも一つにマルチモード干渉計を用いることを特徴とした、付記１乃至３のいずれかに記載の光導波回路。
（付記６）
前記第１および第２の光導波路のうち、前記第２の入力光を伝播する光導波路と交差しない方の光導波路と交差するダミー導波路が設けられていることを特徴とする、付記２乃至５のいずれかに記載の光導波回路。
（付記７）
第１の入力光を分岐して、第１および第２の光導波路に出力する、第１の光分岐素子と、
前記第１および第２の光導波路の間に配置され、第２の入力光を分岐して、第３および第４の光導波路に出力する、第２の光分岐素子と、
前記第１および第３の光導波路を伝播する光波を合流した後、分岐して出力する、第１の光結合器と、
前記第２および第４の光導波路を伝播する光波を合流した後、分岐して出力する、第２の光結合器と、を設ける手順を有し、
前記第１と第２の光導波路の対、並びに前記第２と第３の光導波路の対のうち、いずれか一方の対のみ光路長を等しく設定することを特徴とする、光導波回路の製造方法。
（付記８）
前記第２の入力光伝播する光導波路を、前記第１または第２の光導波路のいずれか一方と交差させることを特徴とする、付記５に記載の光導波回路の製造方法。
（付記９）
前記第２の入力光伝播する光導波路を、前記第１または第２の光導波路のいずれか一方の、曲線部分で交差させることを特徴とする、付記８に記載の光導波回路の製造方法。
（付記１０）
前記第１および第２の光結合器のうち、少なくとも一つにマッハツェンダー干渉計を用いることを特徴とした、付記７乃至９のいずれかに記載の光導波回路の製造方法。
（付記１１）
前記第１および第２の光結合器のうち、少なくとも一つにマルチモード干渉計を用いることを特徴とした、付記７乃至９のいずれかに記載の光導波回路の製造方法。
（付記１２）
前記第１または第２の光導波路のうち、前記第２の入力光を伝播する光導波路と交差しない方の光導波路と交差するダミー導波路を設けることを特徴とする、付記８乃至１１のいずれかに記載の光導波回路の製造方法。

１光分岐素子
２、３光導波路
４光分岐素子
５、６光導波路
７、８光結合器
９、１０入力光導波路
１１〜１４出力光導波路
１５ダミー光導波路
１６、１７光分岐素子
１８〜２１光導波路アーム
２２、２３光結合器

Claims

第１の入力光を分岐して、第１および第２の光導波路に出力する、第１の光分岐素子と、
前記第１および第２の光導波路の間に配置され、第２の入力光を分岐して、第３および第４の光導波路に出力する、第２の光分岐素子と、
前記第１および第３の光導波路を伝播する光波を合流した後、分岐して出力する、第１の光結合器と、
前記第２および第４の光導波路を伝播する光波を合流した後、分岐して出力する、第２の光結合器と、を有し、
前記第１と第２の光導波路の対、並びに前記第２と第３の光導波路の対のうち、いずれか一方の対のみ光路長が等しく設定されていることを特徴とする、光導波回路。
前記第２の入力光伝播する光導波路が、前記第１または第２の光導波路のいずれか一方と交差することを特徴とする、請求項１に記載の光導波回路。
前記第２の入力光伝播する光導波路が、前記第１または第２の光導波路のいずれか一方の、曲線部分で交差することを特徴とする、請求項２に記載の光導波回路。
前記第１および第２の光結合器のうち、少なくとも一つにマッハツェンダー干渉計を用いることを特徴とした、請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波回路。
前記第１および第２の光導波路のうち、前記第２の入力光を伝播する光導波路と交差しない方の光導波路と交差するダミー導波路が設けられていることを特徴とする、請求項２乃至４のいずれかに記載の光導波回路。
第１の入力光を分岐して、第１および第２の光導波路に出力する、第１の光分岐素子と、
前記第１および第２の光導波路の間に配置され、第２の入力光を分岐して、第３および第４の光導波路に出力する、第２の光分岐素子と、
前記第１および第３の光導波路を伝播する光波を合流した後、分岐して出力する、第１の光結合器と、
前記第２および第４の光導波路を伝播する光波を合流した後、分岐して出力する、第２の光結合器と、を設ける手順を有し、
前記第１と第２の光導波路の対、並びに前記第２と第３の光導波路の対のうち、いずれか一方の対のみ光路長を等しく設定することを特徴とする、光導波回路の製造方法。
前記第２の入力光伝播する光導波路を、前記第１または第２の光導波路のいずれか一方と交差させることを特徴とする、請求項６に記載の光導波回路の製造方法。
前記第２の入力光伝播する光導波路を、前記第１または第２の光導波路のいずれか一方の、曲線部分で交差させることを特徴とする、請求項７に記載の光導波回路の製造方法。
前記第１および第２の光結合器のうち、少なくとも一つにマッハツェンダー干渉計を用いることを特徴とした、請求項６乃至８のいずれかに記載の光導波回路の製造方法。
前記第１または第２の光導波路のうち、前記第２の入力光を伝播する光導波路と交差しない方の光導波路と交差するダミー導波路を設けることを特徴とする、請求項７乃至９のいずれかに記載の光導波回路の製造方法。