JP2014041175A

JP2014041175A - 波長選択性経路切換素子

Info

Publication number: JP2014041175A
Application number: JP2012182037A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Okayama; 秀彰岡山
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2014-03-06
Also published as: US20140056552A1

Abstract

【課題】低コストで簡便に形成することが可能であり、光導波路の厚み及び幅の許容誤差が現状の微細加工技術で実現可能な範囲内にある波長選択性経路切換素子を提供する。
【解決手段】第1光導波路4aと第2光導波路4bとが中心間距離Gcをとって平行に配置され、第1光導波路と第2光導波路の厚み、幅、及び中心間距離が、TE偏波の光電場の空間振幅分布が反対称の形状でカップリングして伝播する反対称伝播モードがカットオフされない範囲に設定されている。更に、第1光導波路及び第2光導波路の厚みより幅を広く設定する場合は、幅に対するTE偏波の結合長が極小となるように、また、狭く設定する場合には、TE偏波に対する結合長とTM偏波に対する結合長とが等しくなるように、当該第1及び第2光導波路の幅が設定されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、波長の相違に基づき光経路を切り換える波長選択性経路切換機能を有する光導波路素子に係り、光変調器、光スイッチの構成要素として使用可能な波長選択性経路切換素子に関する。

近年、加入者系光アクセスシステムは、1つの局側光回線終端装置（OLT: Optical Line Terminal）と複数の加入者側光回線終端装置（ONU: Optical Network Unit）を、光ファイバ及びスターカプラを介して接続し、OLTを複数のONUが共有する形態に構成される、受動光ネットワーク（PON: Passive Optical Network）通信システムが主流となっている。この通信システムでは、OLTからONUへ向けた下り通信に使われる光信号の波長と、ONUからOLTに向けた上り通信に使われる光信号の波長とを違えて、下り通信と上り通信とが相互に干渉し合わないようにされている。

OLT及びONUは、波長フィルタ、フォトダイオード、レーザダイオード等の光学素子を備えて構成される。これらの光学素子を、レンズを用いて空間結合させるにはそれぞれの光学素子の中心位置（受光位置あるいは発光位置）を設計位置に合せるための複雑な光軸合せ作業が必要である。そこで、量産工程に適する光軸合せ作業の新規な技術を確立することが課題である。

OLT及びONUにおける、下り通信に使われる光信号の経路と上り通信に使われる光信号の経路を切り換える経路切換素子を、OLT及びONUの組立工程で量産に適する形態とするための有力な手段が、レンズの代わりに光導波路を利用して光学素子を結合することである。すなわち、光軸合わせをなくすために光導波路を用いて構成された光導波路素子が知られている（例えば、特許文献１〜６参照）。これらの光導波路素子はシリコン(Si)を光導波路材料として使用され極めて小型に形成され、しかも製造にはCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)の製造過程が流用され低コスト化が実現されている。

シリコン光導波路（コア）をシリコンよりも屈折率の小さい素材で囲む構成の光導波路をシリコン細線型光導波路と呼ぶ。シリコンよりも屈折率の小さい素材とは、例えば、酸化シリコン（SiO₂）等である。シリコン細線型光導波路において、コアを形成するシリコンとクラッドを構成する酸化シリコンの屈折率差はきわめて大きい。そのため、導波光の光電場成分のほとんどをコアに閉じ込めることが可能であり、コアの断面寸法をサブミクロン程度と極めて細く形成することができる。また、シリコン細線型光導波路は、半導体素子の製造工程と共通の工程を利用して容易に量産することができる。

光導波路を利用して光学素子を結合する手段をとれば、光は光導波路内に閉じ込められて伝搬するため、レンズを用いる空間結合系を形成するときのように複雑な光軸合せを必要としない。波長フィルタ、フォトダイオード、レーザダイオード等の光学素子は光導波路が形成された基板に設置位置を示すマーカーを形成しておけば、それぞれの光学素子の中心位置が最適位置にくるように配置することは容易である。すなわち、光導波路を用いれば、経路切換素子を量産性に優れる工程で製造することが可能となる。

下り通信に使われる光信号の経路と上り通信に使われる光信号の経路を切り換える上述の経路切換素子は、下り通信に使われる光信号の経路と上り通信に使われる光信号の経路を、波長の相違に基づき切り換えるための素子であるので、波長フィルタとしての機能も備えている。

この経路切換素子の波長フィルタとしての機能は、マッハ-ツェンダ干渉計、方向性光結合器、あるいはグレーティング等によって実現される。グレーティングはその反射強度を十分に強くすれば透過帯域内での透過率を一定化することができる。グレーティングを構成要素として備えたシリコン光導波路素子が開示されている（例えば、特許文献７及び非特許文献１参照）。

米国特許第４，８６０，２９４号明細書米国特許第５，７６４，８２６号明細書米国特許第５，９６０，１３５号明細書米国特許第７，０７２，５４１号明細書特開平０８−１６３０２８号公報特開２００４−１５７１９２号公報特表２００７−５２３３８７号広報

Hirohito Yamada et al., "Si Photonic Wire Waveguide Devices", IEICE Trans. Electron. Vol E90-C, No. 1 January 2007, pp. 59-64.

PON通信システムを構成するONU及びOLTが備える経路切換素子は、上述のように波長フィルタとしての機能を有していなければならない。シリコン細線型光導波路で構成される経路切換素子において、波長フィルタとしての機能を実現する構成要素として、例えばグレーティングが一般的に使われる。しかしながら、このグレーティングの周期は、この経路切換素子で経路切換の対象とされる光信号の光搬送波の波長よりはるかに短く形成する必要がある。このような微細な構造を有するグレーティングを製造するには高度な技術が必要とされる。

経路切換素子を実現する構成要素としてグレーティングに代えて方向性光結合器を利用すれば、光損失が小さいという特長を実現させられるが、シリコン素材をコアとする光導波路によって偏波無依存の方向性光結合器を実現させるには、高い寸法精度を以って形成することが要求され、特段の工夫が必要とされる。

方向性光結合器を、偏波無依存で動作させるには、TE(Transverse Electric Wave)偏波に対する結合長とTM(Transverse Magnetic Wave)偏波に対する結合長とが等しくなるように形成することである。結合長とは、方向性光結合器の一方の光導波路の入力端に光が入力されたとき、入力された光の全エネルギーが他方の光導波路に移行するまでの導波距離を意味する。

TE偏波とTM偏波に対する結合長の違いが6％以上となると実用上要請される消光比-20dBを確保することができなくなる。したがって、偏波無依存で動作する方向性光結合器を実現させるには、結合長の違いを少なくとも6％以内となるように、形成する必要がある。結合長の違いが6％であるとは、TE偏波に対する結合長L_TEとTM偏波に対する結合長L_TMとの平均、(L_TE＋L_TM)/2、をL₀としたとき、｜L_TE−L_TM｜/L₀＝0.06であることを意味する。

そこで、この発明の発明者は、波長選択性経路切換素子を構成する、平行に形成される2本の光導波路コアの厚み、幅、及び両光導波路コアの中心間隔の相互関係を、シミュレーションによって検討し、上述の偏波無依存での動作が実現される条件を検索した。その結果、現状の微細加工技術で実現可能な寸法精度の範囲で偏波無依存性が実現される寸法条件を見出した。

すなわち、この発明は、偏波無依存が実現される波長選択性経路切換素子であって、量産性に優れ低コストで簡便に形成することが可能であり、2本の光導波路コアの厚み、幅及び両光導波路コアの中心間隔の許容誤差が現状の微細加工技術で実現可能な範囲内にある、波長選択性経路切換素子を提供することを目的とする。以後、誤解の生じない範囲で、光導波路コアを単に光導波路ということもある。

この発明の要旨によれば、上述の目的を達成するため、波長選択性経路切換素子は、以下の特徴を具えている。

この発明の波長選択性経路切換素子は、第1光導波路と第2光導波路とが平行に配置され、第1光導波路と第2光導波路の厚み、幅、及び第1光導波路と第2光導波路との中心間距離が、TE偏波の光電場の空間振幅分布が反対称の形状でカップリングして伝播する反対称伝播モードがカットオフされない範囲に設定されている。

更に、第1光導波路及び第2光導波路の幅が厚みより広い場合、第1及び第2光導波路の幅は、第1及び第2光導波路の幅に対するTE偏波及びTM偏波の結合長の関係において、TE偏波の結合長の極小値を与える第1及び第2光導波路の幅の値を中心値として、TE偏波に対する結合長とTM偏波に対する結合長との差が偏波無依存とみなせる程度に小さくなる範囲に設定されている。

また、第1光導波路及び第2光導波路の幅が厚みより狭い場合、第1及び第2光導波路の幅は、第1及び第2光導波路の幅に対するTE偏波及びTM偏波の結合長の関係において、TE偏波に対する結合長とTM偏波に対する結合長が等しい値を与える第1及び第2光導波路の幅の値を中心値として、TE偏波に対する結合長とTM偏波に対する結合長との差が偏波無依存とみなせる程度に小さくなる範囲に設定されている。

この発明の波長選択性経路切換素子によれば、第1光導波路及び第2光導波路を、TE偏波の反対称伝播モードがカットオフされない範囲に、第1光導波路と第2光導波路の厚み、幅、及び第1光導波路と第2光導波路との中心間距離が設定されている。これは、第1光導波路と第2光導波路の厚みよりも幅が狭い場合は、TE偏波の導波モードが存在しない条件が存在するからである。TM偏波に対しては、伝播モードのカットオフ条件が広いので、TM偏波に対してカットオフされない条件下ではTM偏波の伝播モードもカットオフとはならない。したがって、TM偏波に対してのカットオフ条件を考慮すれば十分である。

第1光導波路及び第2光導波路の厚みより導波路幅を広く設定すると、TE偏波に対する結合長とTM偏波に対する結合長とが等しくなることはないが、TE偏波の結合長が極小となる条件で、TE偏波に対する結合長とTM偏波に対する結合長との差が最小となる。したがって、TE偏波の結合長の極小値を与える導波路幅の値を中心値として、TE偏波に対する結合長とTM偏波に対する結合長との差が偏波無依存とみなせる程度に小さくなる範囲に導波路幅を設定することができれば偏波無依存の波長選択性経路切換素子が実現される。具体的には、TE偏波とTM偏波に対する結合長の違いが6％以内となるように第1及び第2光導波路の導波路幅を設定すれば、実用上偏波無依存の波長選択性経路切換素子が実現される。シミュレーションの結果、TE偏波の結合長が極小値をとる近傍となるように当該第1及び第2光導波路の幅が設定されている条件下で、TE偏波とTM偏波に対する結合長の違いが6％以内とすることが可能であることが判明した。

一方、第1光導波路及び第2光導波路の厚みより導波路幅を狭く設定した場合、シミュレーションによってTE偏波に対する結合長とTM偏波に対する結合長とが等しい値を与える導波路幅が存在することが判明した。この場合、TE偏波に対する結合長とTM偏波に対する結合長とが等しい値を与える導波路幅の値を中心値として、TE偏波に対する結合長とTM偏波に対する結合長との差が偏波無依存とみなせる程度に小さくなる範囲に導波路幅を設定することができれば偏波無依存の波長選択性経路切換素子が実現される。

また、波長選択性経路切換素子の結合長は波長に依存するので、波長選択性経路切換素子は光信号の経路を切り換える波長フィルタとしての機能も当然に実現される。

第1光導波路及び第2光導波路の幅は、TE偏波の結合長の極小を与える値から多少外れても、あるいはTE偏波に対する結合長とTM偏波に対して等しい結合長を与える値から多少外れても、実用上偏波無依存の波長選択性経路切換素子が実現される寸法上の許容範囲が存在するので、現状の微細加工技術で製造可能である。

また、この発明の波長選択性経路切換素子は、後述するように、SOI(Silicon on Insulator)基板を用いて周知のエッチング処理、化学気相成長(CVD: Chemical Vapor Deposition)法等によって形成することが可能であるので、量産性に優れ低コストで簡便に形成することが可能である。

この発明の実施形態の波長選択性経路切換素子の概略的構成を示す斜視図である。第1光導波路及び第2光導波路の厚みが220nmである場合の、第1光導波路及び第2光導波路の幅に対する結合長の関係、及びTE偏波の反対称伝播モードがカットオフされる範囲を示す図である。第1光導波路及び第2光導波路の厚みが210nmである場合の、第1光導波路及び第2光導波路の幅に対する結合長の関係を表す図である。第1光導波路及び第2光導波路の厚みが220nmである場合の、第1光導波路及び第2光導波路の幅に対する結合長の関係を表す図である。第1光導波路及び第2光導波路の厚みが240nmである場合の、第1光導波路及び第2光導波路の幅に対する結合長の関係を表す図である。

以下、図を参照して、この発明の実施形態につき説明する。なお、この発明の波長選択性経路切換素子の概略的構成を示す図1は、この発明の実施形態に係る一構成例を示すものであり、この発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の構成素材及び設計条件等を用いることがあるが、これら構成素材及び設計条件等は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。

＜波長選択性経路切換素子の構成＞
図1を参照して、波長選択性経路切換素子の実施形態の構成について説明する。図1は、波長選択性経路切換素子の概略的構成を示す斜視図である。図1に示すように、波長選択性経路切換素子は、次のように構成されている。

この実施形態の波長選択性経路切換素子は、シリコン基板1上に、第1光導波路4a、入力光導波路7-1、出力光導波路8-1、及び曲線光導波路6-1を含む光導波路パターン構造体が形成されている。また、この光導波路パターン構造体と線対称に、第2光導波路4b、入力光導波路7-2、出力光導波路8-2、及び曲線光導波路6-2を含む光導波路パターン構造体が形成されている。

曲線光導波路6-1は、入力光導波路7-1に接続されるものと、出力光導波路8-1に接続されるものとは、別々に異なる位置に配置される光導波路であるが、図面上はいずれも「曲線光導波路6-1」と示してある。同様に、曲線光導波路6-2も入力光導波路7-2に接続されるものと、出力光導波路8-2に接続されるものとは、別々に異なる位置に配置される光導波路であるが、図面上はいずれも「曲線光導波路6-2」と示してある。

また、第2光導波路4bに接続される入力光導波路7-2、出力光導波路8-2、及び曲線光導波路6-2は、第1光導波路4aに接続されている光導波路と同一形状なので、以下の説明では、入力光導波路7-1、出力光導波路8-1、及び曲線光導波路6-1と、入力光導波路7-2、出力光導波路8-2、及び曲線光導波路6-2とを区別する必要がない場合は、単に入力光導波路7、出力光導波路8、及び曲線光導波路6と、区別しない場合もある。

光導波路パターン構造体は、Siを素材とする光導波路パターンとこの光導波路パターンをコアとして取り囲むSiO₂クラッド層である下部クラッド層2と上部クラッド層3からなる。光導波路パターン構造体は、Siをコアとして、このコアをSiO₂材で囲んで構成される構造体であるので、シリコン細線型光導波路と総称されることもある。

第1光導波路4aと第2光導波路4bとは、シリコン基板1上に形成された下部クラッド層2上に、所定の間隔で平行に配置される。第1光導波路4aと第2光導波路4bとが平行に配置されている領域を方向性光結合部と呼称する。図1では、この領域（方向性光結合部）の導波方向の寸法をLで示してあり、このLが結合長に当たる。

第1光導波路4a及び第2光導波路4bには、それぞれの一端に入力光導波路7-1、7-2、他端に出力光導波路8-1、8-2が、曲線光導波路6-1、6-2を介して接続されている。

第1光導波路4a及び第2光導波路4bのそれぞれの一端に接続された入力光導波路7の中心間距離、及び第1光導波路4a及び第2光導波路4bのそれぞれの他端に接続された出力光導波路8の中心間距離は、入力光導波路7及び出力光導波路8を伝播する導波光のカップリングが無視できる十分な寸法に設定されている。

第1光導波路4a、第2光導波路4b、入力光導波路7、出力光導波路8、及び曲線光導波路6は、シリコン基板1上に下部クラッド層2を挟んで矩形断面を有するシリコン光導波路コアを有している。当該シリコン光導波路コアは上部クラッド層3で覆われ埋め込み型光導波路として形成されている。

図1では、入力光導波路7-1のシリコン光導波路コアの切断面を5S-1、出力光導波路8-1のシリコン光導波路コアの切断面を5S-2、入力光導波路7-2のシリコン光導波路コアの切断面を5S-3、出力光導波路8-2のシリコン光導波路コアの切断面を5S-4と示してある。

ここでは、便宜上、図の左側から入力され右側から出力される場合を想定して、入力光導波路7-1、7-2あるいは出力光導波路8-1、8-2と区別してあるが、入力光は図の右側からでも入力可能である。したがって、後述する、利用形態の説明において、入力光導波路7及び出力光導波路8は、入力側としても出力側としても利用できるので、入力光導波路7-1、7-2あるいは出力光導波路8-1、8-2のシリコン光導波路コアの切断面5S-1〜5S-4を入出力端と表記する場合もある。

入力光導波路7-1側に配置される曲線光導波路6-1は、第1光導波路4aの入力端4P-1と入力光導波路7-1の接続端7E-1に接続されている。当該曲線光導波路6-1の幅は、接続端7E-1において入力光導波路7-1の幅と等しく、入力端4P-1おいて第1光導波路4aの幅と等しくなるように、導波方向に沿って滑らかに変化している。また、曲線光導波路6-1は、第1光導波路4aの出力端4Q-1から出力光導波路8-2の接続端8E-1に接続され出力光導波路8-1側に配置されている。当該曲線光導波路6-1の幅は、接続端8E-1において出力光導波路8-1の幅と等しく、出力端4Q-1おいて第1光導波路4aの幅と等しくなるように、導波方向に沿って滑らかに変化している。

入力光導波路7-2側に配置される曲線光導波路6-2についても同様である。すなわち、入力端4P-2と入力光導波路7-2の接続端7E-2も、入力端4P-1と入力光導波路7-1の接続端7E-1と同様である。出力端4Q-2と出力光導波路8-2の接続端8E-2も、出力端4Q-1と出力光導波路8-1の接続端8E-1と同様である。なお、入力端4P-1、4P-2は利用の形態によっては出力端とすることもある。又、出力端4Q-1、4Q-2も利用の形態によっては入力端とすることもある。更に入力光導波路7-1、出力光導波路8-1等も同様に入力と出力とが逆の形態で利用されることもある。

このように、曲線光導波路6を形成することによって、導波路の曲がり部分での放射損失はほとんど発生せず、偏波無依存性の実現にも悪影響を与えないことがシミュレーションによって確かめられた。

図1に示すように、第1光導波路4aの中心5aと第2光導波路4bの中心5bの距離（中心間距離）はGcであり、第1光導波路4aと第2光導波路4bの結合長はLである。すなわち、第1光導波路4aと第2光導波路4bとは近接して長さLにわたって間隔Gcを隔てて平行に形成されている。

第1光導波路4a及び第2光導波路4bの幅D-1及びD-2（以下、単にDと示す。）は、第1及び第2波長の光がシングルモード伝搬する条件に設定されている。更に、第1光導波路4a及び第2光導波路4bの幅Dは、第1波長のTE偏波の光に対して、その光電場の空間振幅分布が反対称の形状でカップリングしてそれぞれの光導波路を伝播する反対称伝播モードで伝播する際の等価屈折率(Effective guide index)が等しくなるように設定される。そして、長さL及び間隔Gcは、第1波長の光が第1光導波路4aから第2光導波路4bに移行する条件に設定されている。

＜波長選択性経路切換素子の動作＞
ここで、波長選択性経路切換素子の動作につき説明する。この発明の波長選択性経路切換素子によれば、例えば、第1及び第2波長の光を、第1光導波路4aに曲線光導波路6-1を介して接続された入力光導波路7-1から入力させ、第1波長の光の経路を方向性光結合部で第1光導波路4aから第2光導波路4bに切り換えて、第2光導波路4bに曲線光導波路6-2を介して接続された出力光導波路8-2から出力させることができる。一方、第2波長の光は、方向性光結合部での経路切換えが行われず、第1光導波路4aに曲線光導波路6-1を介して接続された出力光導波路8-1からで出力させることができる。

例えば、PON通信システムを構成するONU及びOLTが備える経路切換素子として波長選択性経路切換素子を利用する場合は、ONU及びOLTが備えるレーザダイオード等の発光素子及びフォトダイオード等の受光素子との接続状況に応じて入出力端を適宜設定すればよい。一例として、PONシステムにこの発明の波長選択性経路切換素子を利用する場合を取り上げる。PONシステムでは上り信号波長帯域として1.31μmの波長帯域が割り当てられており、下り信号波長帯域として1.49μmの波長帯域が割り当てられているので、第1波長を1.49μmとし、第2波長を1.31μmとすることができる。

この場合、OLTにこの発明の波長選択性経路切換素子を設定するとすれば、図1で発光素子から出力される下り信号（第1波長）を5S-1と示してある入出力端から入力させ（OLTin-1と示してある）、5S-4と示してある入出力端から第1波長の光を出力させる（OLTout-1と示してある）。一方、上り信号（第2波長）を5S-4と示してある入出力端から入力させ（OLTin-2と示してある）、5S-3と示してある入出力端から出力させて（OLTout-2と示してある）受光素子で受信する形態とすることができる。

同様に、ONUにこの発明の波長選択性経路切換素子を設定するとすれば、図1で発光素子から出力される上り信号（第2波長）を5S-2と示してある入出力端から入力させ（ONUin-2と示してある）、5S-1と示してある入出力端から出力させる（ONUout-2と示してある）。一方、下り信号（第1波長）を5S-1と示してある入出力端から入力させ（ONUin-1と示してある）、5S-4と示してある入出力端から出力させて（ONUout-1と示してある）受光素子で受信する形態とすることができる。

≪製造方法≫
図1を参照して説明した波長選択性経路切換素子を構成する光導波路パターン構造体は、例えば、SOI基板を入手して、以下の工程によって形成できる。SOI基板は、広く市販品として入手可能であり、シリコン基板に酸化シリコン層、及びこの酸化シリコン層上に光導波路の厚みの寸法に等しい厚みのシリコン層が形成されている。

SOI基板の酸化シリコン層上に形成されているシリコン層に対して、ドライエッチング等を行い、第1光導波路4a、第2光導波路4b、入力光導波路7、出力光導波路8、及び曲線光導波路6を含む光導波路パターンを残して他の部分のシリコン層を取り除く。それに続き、エッチング処理で残された光導波路パターンを導波構造のコアとして取り囲む酸化シリコン層を化学気相成長(CVD: Chemical Vapor Deposition)法等によって形成する。そして、酸化シリコン層の上面が平坦になるように研磨し、この酸化シリコン層を上部クラッド層3として形成する。

こうして、シリコン基板1上に第1光導波路4aと、第2光導波路4bと、入力光導波路7と、出力光導波路8と、曲線光導波路6とを含む光導波路パターン構造体が同一の層（シリコン基板1上に形成された光導波路パターン構造体）として形成される。

≪シミュレーションの結果≫
以下に示すシミュレーション結果は、いずれもシリコン光導波路コアの屈折率が3.5、下部クラッド層2及び上部クラッド層3の屈折率が1.46であるとし、波長が1490 nmであるとして得られた結果である。

図2を参照して、TE偏波の反対称伝播モードがカットオフされない範囲に、第1光導波路4aと第2光導波路4bの幅D、及び第1光導波路4aと第2光導波路4bとの中心間距離Gcについて検討したシミュレーション結果について説明する。

図2は、中心間距離Gcを、Gc＝700 nm, 800 nm, 1000 nmとした場合において、第1光導波路4aと第2光導波路4bの幅Dに対する結合長の関係を、3次元FDTD(Finite Difference Time Domain)法によってシミュレーションした結果を示している。図2の横軸は、第1光導波路4aと第2光導波路4bの幅Dをnm単位で目盛って示してあり、縦軸は、TE及びTM伝播モードに対する結合長をμm単位で目盛って示してある。

図2に示すこのシミュレーションは、第1光導波路4a及び第2光導波路4bの厚み方向の寸法が220 nmであるとして実行した。図2の左下隅の陰をつけて示す三角形の領域はTE反対称伝播モード（以下、単に伝播モードという。）がカットオフされる範囲を示している。

図2に示すようにTE伝播モードがカットオフされる条件が存在することが判明した。一方、図2からは読み取れないが、TM伝播モードは、TE伝播モードよりもカットオフ条件が緩く、TE伝播モードがカットオフされなければ、TM伝播モードもカットオフされることがないことも判明した。

以上のシミュレーション結果に基づいて、伝播モードカットオフ条件を回避可能な条件でこの発明の波長選択性経路切換素子を実現させるための、第1光導波路4aと第2光導波路4bとの中心間距離Gcに関する指針が明確となった。

次に、図3〜図5を参照して、第1光導波路4aと第2光導波路4bの幅DとTE及びTM伝播モードに対する結合長の関係についてのシミュレーション結果を説明する。図3〜図5の各図において、横軸は、第1光導波路4aと第2光導波路4bの幅Dをnm単位で目盛って示してあり、縦軸は、TE及びTM伝播モードに対する結合長をμm単位で目盛って示してある。

図3を参照して、第1光導波路4a及び第2光導波路4bの厚み方向の寸法が210 nmであり、第1光導波路4aと第2光導波路4bとの中心間距離Gcが700 nmであるとして行ったシミュレーション結果を説明する。

このシミュレーション結果から判明することは、TE伝播モードに対する結合長がTM伝播モードに対する結合長に比べて導波路幅Dによる依存性が強いことである。また、TE伝播モードに対する結合長が導波路幅Dに関して極小値をとることである。図3では、導波路幅D＝230 nmでTE伝播モードに対する結合長が極小値をとっていることがわかる。図3において極小をとる位置を「min」と示してある。

この極小値におけるTEとTM伝播モードに対する結合長の違いは4.6％程度である。上述したように、結合長の違いが6％以上異なると実用上要請される消光比-20dBを確保することができなくなるが、シミュレーションによって、結合長の違いが6％未満となる導波路幅Dの範囲は、225 nm〜235 nmの範囲に確保されることが判明したので、導波路幅Dは10 nmの幅誤差が製造上許されることになる。

図4を参照して、第1光導波路4a及び第2光導波路4bの厚み方向の寸法が220 nmであり、第1光導波路4aと第2光導波路4bとの中心間距離Gcが600 nm及び700 nmであるとして行ったシミュレーション結果を説明する。図4の左側の縦軸は、中心間距離Gcが600 nmである場合のTE及びTM伝播モードに対する結合長をμm単位で目盛って示してあり、右側の縦軸は、中心間距離Gcが700 nmである場合のTE及びTM伝播モードに対する結合長をμm単位で目盛って示してある。

図3に示した結果と同様に、TE伝播モードに対する結合長がTM伝播モードに対する結合長に比べて導波路幅Dによる依存性が強く、TE伝播モードに対する結合長が導波路幅Dに関して極小値をとるという特徴をもっている。

この極小値は、中心間距離Gcが600 nmである場合には235 nm、中心間距離Gcが700 nmである場合には225 nmである。図4において極小をとる位置を「min」と示してある。それぞれの極小値におけるTEとTM伝播モードに対する結合長の違いは、3.1％、及び2.6％程度である。結合長の違いが6％未満となる導波路幅Dの範囲は、中心間距離Gcが600 nmである場合には、220 nm〜250 nmの範囲に確保され、導波路幅Dの幅誤差は30 nmである。また、中心間距離Gcが700 nmである場合には、210 nm〜240 nmの範囲に確保され、導波路幅Dの幅誤差は25 nmである。

図3に示した、第1光導波路4a及び第2光導波路4bの厚み方向の寸法が210 nmである場合と比較して、厚み方向の寸法を220 nmと増大させることによって、幅誤差が2.5倍以上拡大されることがわかる。

図5を参照して、第1光導波路4a及び第2光導波路4bの厚み方向の寸法が240 nmであり、第1光導波路4aと第2光導波路4bとの中心間距離Gcが600 nm及び700 nmであるとして行ったシミュレーション結果を説明する。図5の左側の縦軸は、中心間距離Gcが600 nmである場合のTE及びTM伝播モードに対する結合長をμm単位で目盛って示してあり、右側の縦軸は、中心間距離Gcが700 nmである場合のTE及びTM伝播モードに対する結合長をμm単位で目盛って示してある。

図3及び図4に示した結果と同様に、TE伝播モードに対する結合長が導波路幅Dに関して極小値をとるという特徴をもっている。更に、図3及び図4に示した結果とは異なり、TE伝播モードに対する結合長を表す曲線とTM伝播モードに対する結合長を表す曲線とが交わるという特徴をもっている。図5において、両曲線が交わる交差点を黒丸で示してある。

TE伝播モードに対する結合長が導波路幅Dに関してとる極小値は、中心間距離Gcが600 nmである場合には230 nm、中心間距離Gcが700 nmである場合には220 nmである。図5において極小をとる位置を「min」と示してある。

結合長の違いが6％未満となる導波路幅Dの範囲は、中心間距離Gcが600 nmである場合には、210 nm〜250 nmの範囲に確保され、導波路幅Dの幅誤差は40 nmであり、中心間距離Gcが700 nmである場合には、195 nm〜230 nmの範囲に確保され、導波路幅Dの幅誤差は20 nmである。TE伝播モードに対する結合長を表す曲線とTM伝播モードに対する結合長を表す曲線とが交わる条件では、TE伝播モードに対する結合長とTM伝播モードに対する結合長とは等しくなる。

結合長の違いが6％未満となる導波路幅Dの範囲は、Gc＝600 nmでは、図4で示した条件下で導波路幅Dの幅誤差と比較して1.3倍に拡大しているが、Gc＝700 nmでは、0.8倍に縮小している。Gc＝700 nmでは、結合長の偏波無依存性が実現されるのは、TE伝播モードに対する結合長が導波路幅Dに関してとる極小値付近ではなく、TE伝播モードに対する結合長を表す曲線とTM伝播モードに対する結合長を表す曲線とが交差する近傍である。そして、この交差点近傍では、第1光導波路4a及び第2光導波路4bの厚みより、導波路幅のほうが狭い形状となっている。

なお、Gc＝600 nmの条件下では、導波路幅が210 nm〜250 nmの範囲で、中心間距離Gcは180 nm〜100 nmであり、極めて狭い状態となる。通常のエッチング技術によれば、中心間隔Gcが200 nm以上なければ製作することが難しい。

第1光導波路4a及び第2光導波路4bの厚み方向の寸法が240 nmより厚くなると、偏波無依存が実現されるのは、TE伝播モードに対する結合長を表す曲線とTM伝播モードに対する結合長を表す曲線とが交差する寸法の近傍だけとなる。更に、第1光導波路4a及び第2光導波路4bの厚みより導波路幅が狭いという条件を満たす場合のみとなる。

これに対して、第1光導波路4a及び第2光導波路4bの厚み方向の寸法が210 nm〜240 nmの範囲では、TE伝播モードに対する結合長が導波路幅Dに関して極小値をとるので、導波路幅Dの偏波無依存性を確保するための幅誤差を大きく取れるという利点がある。

1：シリコン基板
2：下部クラッド層
3：上部クラッド層
4a：第1光導波路
4b：第2光導波路
5a：第1光導波路の中心
5b：第2光導波路の中心
6、6-1、6-2：曲線光導波路
7、7-1、7-2：入力光導波路
8、8-1、8-2：出力光導波路

Claims

第1光導波路と第2光導波路とが平行に配置され、
前記第1光導波路と前記第2光導波路の厚み、幅、及び当該第1光導波路と当該第2光導波路との中心間距離は、TE(Transverse Electric Wave)偏波の光電場の空間振幅分布が反対称の形状でカップリングして伝播する反対称伝播モードがカットオフされない範囲に設定され、
前記第1光導波路及び前記第2光導波路の幅は、厚みより広く設定され、当該TE偏波の結合長の極小値を与える当該第1及び第2光導波路の幅の値を中心値として、TE偏波に対する結合長とTM(Transverse Magnetic Wave)偏波に対する結合長との差が偏波無依存とみなせる程度に小さくなる範囲に設定されている
ことを特徴とする波長選択性経路切換素子。
第1光導波路と第2光導波路とが平行に配置され、
前記第1光導波路と前記第2光導波路の厚み、幅、及び当該第1光導波路と当該第2光導波路との中心間距離は、TE(Transverse Electric Wave)偏波の光電場の空間振幅分布が反対称の形状でカップリングして伝播する反対称伝播モードがカットオフされない範囲に設定され、
前記第1光導波路及び前記第2光導波路の幅は、厚みより狭く設定され、TE偏波に対する結合長とTM(Transverse Magnetic Wave)偏波に対する結合長が等しい値を与える当該第1及び第2光導波路の幅の値を中心値として、TE偏波に対する結合長とTM偏波に対する結合長との差が偏波無依存とみなせる程度に小さくなる範囲に設定されている
ことを特徴とする波長選択性経路切換素子。
前記第1光導波路及び前記第2光導波路には、それぞれの一端に入力光導波路、他端に出力光導波路が、曲線光導波路を介して接続され、
前記第1及び第2光導波路のそれぞれの一端に接続された前記入力光導波路の中心間距離、及び前記第1及び第2光導波路のそれぞれの他端に接続された前記出力光導波路の中心間距離が、前記入力光導波路及び前記出力光導波路を伝播する導波光のカップリングが無視できる寸法に設定されており、
前記第1光導波路、前記第2光導波路、前記入力光導波路、前記出力光導波路、及び前記曲線光導波路は、シリコン基板上に下部クラッド層を挟んで矩形断面を有するシリコン光導波路コアを有し、当該シリコン光導波路コアは上部クラッド層で覆われ埋め込み型光導波路として形成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の波長選択性経路切換素子。
前記曲線光導波路は、前記入力光導波路の接続端及び前記出力光導波路の接続端において、それぞれ前記入力光導波路及び前記出力光導波路の幅と等しくなるように、当該曲線光導波路の幅が、前記第1光導波路及び前記第2光導波路のそれぞれとの接続端から導波方向に沿って滑らかに変化している
ことを特徴とする請求項３に記載の波長選択性経路切換素子。
前記第1光導波路及び前記第2光導波路のTE偏波の導波光に対する結合長とTM偏波の導波光に対する結合長の違いが6％以内である
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長選択性経路切換素子。