JP2015135378A - 偏波変換素子及び偏波変換素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に製造することができ、歩留りを向上させることのできる偏波変換素子を提供する。【解決手段】偏波変換素子は、基板の上に形成された下部クラッド層１１と、下部クラッド層１１の上に形成されたコア２０と、コア２０の上面及び側面に形成された上部クラッド層１２と、を有し、コア２０は、第１のコア部２１と、第１のコア部２１よりも屈折率の高い材料により形成された第２のコア部２２とを有しており、第２のコア部２２は、下部クラッド層１１の上に形成されており、第１のコア部２１は、第２のコア部２２及び下部クラッド層１１の上に形成されており、第１のコア部２１は、下部クラッド層１１及び上部クラッド層１２よりも屈折率の高い材料により形成されており、第１のコア部２１に光を入射させる。【選択図】図１

Description

本発明は、偏波変換素子及び偏波変換素子の製造方法に関するものである。

高速、大容量の信号伝送を行なう方法として、光通信があり、長距離の基幹通信システムは、既に実用化されている。また、コンピュータ等の情報系装置間においても、信号伝送の高速化等のため、光通信は実用化されており、今後は、情報系装置内やボード間における実用化が視野に入っている。

このような光通信においては、光信号を伝送する配線部材として、光ファイバが用いられている。また、光信号を加工する部品等としては、例えば、光トランシーバー、光カプラ・スプリッタ、ＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）等が挙げられるが、これらについては、光導波路を用いて形成することが好ましい。

一方、近年においては、光通信における光導波路部品として、シリコンフォトニクスが用いられつつある。シリコンフォトニクスでは、シリコンを半導体製造プロセスにおける微細加工により、光導波路部品を極めて小さな領域に形成できるといった長所があるため、光通信に用いられる装置の小型化等においては有利とされている。

通常、シリコンフォトニクスにおいては、屈折率が非常に大きいシリコン（ｎ＞３）をコアとして用いるため、非常に強い光の閉じ込めが実現されており、これが光導波路部品の小型化に大きく寄与している。しかしながら、シリコンフォトニクスにおける、強い光の閉じ込めには、偏波（＝偏光）依存性が大きいという副作用がある。このため、現状においては、一方の偏波でのみ動作する光導波路部品を設計、製造している。一般的には、ＴＥ（Transverse Electric）モードにおける動作のシリコンフォトニクスが主流であるが、ＴＭ（Transverse Magnetic）モードにおける動作についても、適用することが可能である。

光ファイバを伝搬する光信号の偏波状態は不定であるため、これを受信する側の光導波路部品において対応が求められている。従来からの石英系光導波路部品では、ＴＥモードおよびＴＭモードの損失差を規格内に収めることが可能であり、光ファイバをそのまま接続することができる。しかしながら、シリコンフォトニクスでは、現在は上述したように一方の偏波でしか動作しないため、単純に光ファイバを接続しても、他方の偏波を用いることができない。従って、例えば、光ファイバからの受信光がＴＭ状態であった場合には、シリコンフォトニクスにおいて、光を受けることができない可能性がある。

このため、偏波ダイバーシティと呼ばれる構造が開示されている（例えば、非特許文献１）。これは、光ファイバから受信光をスポットサイズ変換器によりシリコン光導波路に結合させ、すぐに、偏波スプリッタ（分離器）を用いて、ＴＥモードとＴＭモードに分離する。この後、分離されたＴＭモードは偏波変換器（例えば、特許文献１）により、ＴＥに変換する。これにより、光ファイバからの受信光は、２系統のＴＥモードとして用いることができる。

特開２００６−３３０１０９号公報

山田ほか、極微小シリコン光回路の偏波無依存化技術、ＮＴＴ技術ジャーナル、２００９．１２、ｐ．p.１６−１９

しかしながら、開示されている偏波変換器は、製造工程が複雑であり、許容される製造誤差も極めて狭く、実際に製造することは極めて困難である。具体的には、開示されている偏波変換器は、シリコンコアの周囲をシリコンより屈折率の小さいセカンドコアにより覆っているが、セカンドコアを形成している材料の屈折率は１．６である。光ファイバと接続するスポットサイズ変換器においても同様のセカンドコアを用いているが、その屈折率の範囲とは大きく異なっている。よって、これらを同一の材料により形成することができないため、２回の形成プロセスが必要となる。

また、開示されている偏波変換器は、シリコンコアは正方形に加工されているものが用いられているが、原理的には完全な正方形であることが好ましく、形状が正方形からずれると変換効率が低下してしまう。一方、シリコンフォトニクスに用いられるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板におけるシリコン層の厚さのばらつきは、たとえば±１０ｎｍであり、ＳＯＩ基板を用いた場合には、最初から５％程度のコア形状のばらつきを内在している。また、実際の製造の際には、加工誤差も発生するため、所望とする完全な正方形となるように製造することは、極めて困難である。

よって、製造マージンが広く、所望の特性のものが容易に製造することができ、歩留りの高い偏波変換素子が求められている。

本実施の形態の一観点によれば、基板の上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上に形成されたコアと、前記コアの上面及び側面に形成された上部クラッド層と、を有し、前記コアは、第１のコア部と、前記第１のコア部よりも屈折率の高い材料により形成された第２のコア部とを有しており、前記第２のコア部は、前記下部クラッド層の上に形成されており、前記第１のコア部は、前記第２のコア部及び前記下部クラッド層の上に形成されており、前記第１のコア部は、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層よりも屈折率の高い材料により形成されており、前記第１のコア部に光を入射させることを特徴とする。

開示の偏波変換素子によれば、容易に製造することができ、歩留りを向上させることができる。

本実施の形態における偏波変換素子の断面図 本実施の形態における偏波変換素子の説明図 偏波変換素子を伝搬する光の説明図（１） 偏波変換素子を伝搬する光の説明図（２） シミュレーションのモデル図 第２のコア部の幅と第２のコア部の等価屈折率の相関図 図６の拡大図 第２のコア部の長さと偏波変換効率の相関図 本実施の形態における偏波変換素子の製造方法の工程図（１） 本実施の形態における偏波変換素子の製造方法の工程図（２）

実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

（偏波変換素子）
本実施の形態における偏波変換素子について、図１及び図２に基づき説明する。図１は、本実施の形態における偏波変換素子の断面図であり、図２は、本実施の形態における偏波変換素子におけるコア部の斜視図である。尚、図１（ａ）は、図２における一点鎖線２Ａ−２Ｂにおいて切断した断面図であり、図１（ｂ）は、図２における一点鎖線２Ｃ−２Ｄにおいて切断した断面図である。

本実施の形態における偏波変換素子は、図１に示すように、不図示の基板の表面に形成された下部クラッド層１１の上に、光導波路となる断面の形状が四角形のコア２０が形成されており、コア２０の上面及び側面は上部クラッド層１２により覆われている。コア２０は、光が伝搬するメインコアとなる第１のコア部２１とコア２０の４隅のいずれかの近傍に形成された第２のコア部２２とにより形成されている。

第２のコア部２２は、断面が四角形の形状であって、光が伝搬する方向における長さがＬとなるように形成されている。よって、本実施の形態における偏波変換素子は、図２に示されるように、光の伝搬方向におけるコア２０の中程には第２のコア部２２が形成されており、コア２０の両側の端部には第２のコア部２２が形成されていない構造のものであってもよい。

また、第１のコア部２１は、第２のコア部２２の一部または全部を覆うように形成されている。本実施の形態における偏波変換素子は、第２のコア部２２は、コア２０の断面において、中心よりずれた位置に形成されていればよいが、上述したように、コア２０の４隅のいずれかの近傍に形成されていることが好ましい。更には、製造等の観点からは、第２のコア部２２は、下部クラッド層１１の上に形成されていることが好ましい。

本実施の形態においては、下部クラッド層１１は、例えば、シリコン基板の表面に形成された屈折率が約１．４４となる酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜により形成されている。また、コア２０における第１のコア部２１は、屈折率が約１．４６となる酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）により形成されており、第２のコア部２２は、屈折率が約３．４８となるシリコン（Ｓｉ）により形成されている。上部クラッド層１２は、酸化シリコンにより形成されており、下部クラッド層１１と上部クラッド層１２によりコア２０の周囲を囲むクラッド１０が形成される。尚、上述した屈折率は、波長１５５０ｎｍの光における値である。

本実施の形態における偏波変換素子においては、コア２０を形成している第２のコア部２２は第１のコア部２１よりも屈折率の高い材料により形成されている。本実施の形態における偏波変換素子においては、コア２０の一方の端部の第１のコア部２１より光を入射させる。これにより、コア２０の第１のコア部２１に入射した光は、コア２０の第１のコア部２１内において、第２のコア部２２の近傍を伝搬し、コア２０の他方の端部より出射される。

次に、コア２０に入射した光のモードについて説明する。コア２０が、第１のコア部２１のみにより形成されており、第２のコア部２２が形成されていない領域においては、ＴＥモードまたはＴＭモードで入射した光は、ＴＥモードまたはＴＭモードで伝搬する。図３（ａ）は、コア２０が第１のコア部２１のみにより形成された場合において、ＴＥモードで伝搬する光の光強度の分布を等高線で示したものであり、図３（ｂ）は、ＴＭモードで伝搬している光の光強度の分布を等高線でしたものである。また、矢印は、モード軸を示す。

一方、コア２０が第１のコア部２１と第２のコア部２２により形成されている領域においては、第１のコア部２１を伝搬する光は、図４に示されるようにモード軸が傾く。例えば、入射した光がＴＥモードの光の場合、図４（ａ）及び（ｂ）に示される２つのモードに分割される。２つのモードは位相速度が異なるため、光の伝搬に伴い２つのモードの位相がずれる。これにより、この部分を伝搬する光は偏波が回転する。このような偏波の回転は、第２のコア部２２が形成されている部分において生じるため、第２のコア部２２の長さを調節することにより、所望とするモードの光を得ることができる。即ち、第２のコア部２２の長さを調節することにより、ＴＥモードの光をＴＭモードの光に変換、およびＴＭモードの光をＴＥモードの光に変換することができる。

ところで、本実施の形態における偏波変換素子において、安定した偏波変換を行なうためには、第１のコア部２１と第２のコア部２２とが単独で存在している状態において、相互のモードにおける等価屈折率がマッチングしていることが必要である。具体的には、第２のコア部２２が単独で存在している状態におけるモードの等価屈折率が、第１のコア部２１の屈折率以下となるように形成されていることが好ましい。また、モードの等価屈折率は、第２のコア部２２の断面における大きさにより調整可能である。具体的には、第２のコア部２２の断面を小さくすると、等価屈折率は小さくなり、クラッド１０の屈折率に近づき、第２のコア部２２の断面を大きくすると、等価屈折率は大きくなる。

ここで、図５に示されるように、第２のコア部２２の周囲にクラッド１１０が形成されている構造をモデルとして、シミュレーションを行なった結果について説明する。尚、第２のコア部２２はＳｉにより形成されており、クラッド１１０はＳｉＯ_２により形成されているものとする。

図６及び図７は、第２のコア部２２における厚さを一定とした場合において、第２のコア部２２の幅と、第２のコア部２２における等価屈折率との関係を示すものであり、等価屈折率の分散曲線を示している。尚、図７は、図６の一部を拡大したものである。図７に示されるように、１．４６は第１のコア部２１における屈折率であり、屈折率が１．４６以下の領域が、第１のコア部２１の屈折率よりも第２のコア部２２における等価屈折率が低くなる領域である。図７に示されるように、第２のコア部２２における幅が１００ｎｍ近傍において、第２のコア部２２における等価屈折率が、第１のコア部２１における屈折率よりも低くなり、安定した偏波変換を実現できる。

第２のコア部２２の幅を広げることにより、マルチモード（多モード）となるが、幅５００ｎｍ近傍や１μｍ近傍の高次モードにおいても、第１のコア部２１の屈折率よりも第２のコア部２２における等価屈折率が低くなる。よって、本実施の形態における偏波変換素子としての機能は、このような幅で第２のコア部２２を形成した場合においても得られる。このように、第２のコア部２２の幅を広く形成することは、狭く形成する場合よりも製造が容易となるため、製造における負荷を減らすことができる。

即ち、本実施の形態における偏波変換素子は、第１のコア部２１の屈折率よりも第２のコア部２２における等価屈折率が低くなるように、第２のコア部２２が形成されていればよい。よって、第２のコア部２２における断面の形状を完全な正方形にする必要はなく、長方形等の形状により形成してもよい。このように、第２のコア部２２における断面の形状を長方形等の形状に形成することができれば、製造マージンを広げることができ、歩留りも向上させることができる。

図８は、本実施の形態における偏波変換素子において、第２のコア部２２における長さと偏波変換効率との関係について、シミュレーションにより得られた結果を示す。尚、第２のコア部２２の幅は４８０ｎｍとし、第２のコア部２２における高次モードを用いている。ＴＥモードの光を入射させた場合、第２のコア部２２の長さに応じて、周期的にＴＭモードにおける偏波変換効率及びＴＥモードにおける偏波変換効率が変化している。

図８に示されるように、第２のコア部２２の長さを約５００μｍとすることにより、ＴＥモードで入射した光をＴＭモードに高効率に変換することができる。この場合、ＴＭモードで入射した光はＴＥモードに高効率に変換される。尚、第２のコア部２２の長さを約１０００μｍとした場合では、ＴＥモードで入射した光はＴＥモードのまま出射させることができ、ＴＭモードで入射した光はＴＭモードのまま出射させることができる。

本実施の形態における説明では、第１のコア部２１をＳｉＯＮにより形成した場合について説明したが、第１のコア部２１はＳｉＯＮ以外の材料により形成してもよく、Ｇｅ等をドープした石英ガラスや樹脂材料により形成してもよい。また、第２のコア部２２をＳｉにより形成した場合について説明したが、第２のコア部２２はＳｉ以外の材料により形成してもよく、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ等により形成してもよい。

（偏波変換素子の製造方法）
次に、本実施の形態における偏波変換素子の製造方法について、図９及び図１０に基づき説明する。本実施の形態においては、ＳＯＩ基板を用いて偏波変換素子を製造する場合について説明するが、ＳＯＩ基板を用いることなく製造する製造方法であってもよい。

最初に、図９（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１００の上に、酸化シリコン膜１４０ａを形成し、酸化シリコン膜１４０ａの上に、レジストパターン１４１を形成する。ＳＯＩ基板１００は、シリコン基板１１１の上に、下部クラッド層１１となる酸化シリコン膜が形成されており、下部クラッド層１１となる酸化シリコン膜の上にシリコン層２２ａが形成されている基板である。尚、形成されている下部クラッド層１１となる酸化シリコン膜は、埋め込み酸化膜やＢＯＸ（Buried Oxide）層と呼ばれるものであり、厚さが３μｍである。また、形成されているシリコン層２２ａは、厚さが２５０ｎｍである。

具体的には、ＳＯＩ基板１００におけるシリコン層２２ａの上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）による成膜により、酸化シリコン膜１４０ａを形成する。このように形成される酸化シリコン膜１４０ａは、後述するハードマスク１４０を形成するためのものである。酸化シリコン膜１４０ａをＣＶＤにより成膜する際には、原料ガスとして、ＳｉＨ４（２０％）／Ｈｅ、Ｎ_２Ｏ等が用いられる。この後、酸化シリコン膜１４０ａの上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、第２のコア部２２が形成される領域における酸化シリコン膜１４０ａの上に、レジストパターン１４１を形成する。

次に、図９（ｂ）に示すように、レジストパターン１４１が形成されていない領域における酸化シリコン膜１４０ａをドライエッチングにより除去することにより、ハードマスク１４０を形成する。具体的には、レジストパターン１４１が形成されていない領域における酸化シリコン膜１４０ａをエッチングガスとしてＣＦ_４等を用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等のドライエッチングにより除去する。これにより、残存する酸化シリコン膜１４０ａによりハードマスク１４０が形成される。この後、レジストパターン１４１は有機溶剤等により除去する。

次に、図９（ｃ）に示すように、ハードマスク１４０が形成されていない領域におけるシリコン層２２ａをＲＩＥ等のドライエッチングにより除去することにより、第２のコア部２２を形成する。具体的には、ハードマスク１４０が形成されていない領域におけるシリコン層２２ａをエッチングガスとしてＨＢｒ等を用いたＲＩＥ等のドライエッチングにより除去する。これにより、残存するシリコン層２２ａにより第２のコア部２２を形成することができる。この後、酸化シリコンにより形成されているハードマスク１４０はウェットエッチング等により除去する。

次に、図１０（ａ）に示すように、酸化シリコン膜により形成されている下部クラッド層１１及び第２のコア部２２の上に、第１のコア部２１を形成するためのＳｉＯＮ膜２１ａを形成し、ＳｉＯＮ膜２１ａの上に、レジストパターン１４２を形成する。具体的には、ＳｉＯＮ膜２１ａは、ＣＶＤ等により膜厚が約３μｍとなるように成膜することにより形成する。この際成膜されたＳｉＯＮ膜２１ａにおける屈折率は、１．４６である。この後、ＳｉＯＮ膜２１ａの上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、第１のコア部２１が形成される領域の上に、レジストパターン１４２を形成する。

次に、図１０（ｂ）に示すように、レジストパターン１４２が形成されていない領域におけるＳｉＯＮ膜２１ａをＲＩＥ等のドライエッチング等により除去することにより、残存するＳｉＯＮ膜２１ａにより、第１のコア部２１を形成する。これにより、第１のコア部２１と第２のコア部２２とによりコア２０が形成される。この後、レジストパターン１４２は、有機溶剤等により除去する。

次に、図１０（ｃ）に示すように、コア２０の上面及び側面、酸化シリコン膜により形成されている下部クラッド層１１の上に、酸化シリコン膜をＣＶＤにより膜厚が１μｍとなるように成膜することにより、上部クラッド層１２を形成する。以上により、本実施の形態における偏波変換素子を製造することができる。

以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成されたコアと、
前記コアの上面及び側面に形成された上部クラッド層と、
を有し、
前記コアは、第１のコア部と、前記第１のコア部よりも屈折率の高い材料により形成された第２のコア部とを有しており、
前記第２のコア部は、前記下部クラッド層の上に形成されており、
前記第１のコア部は、前記第２のコア部及び前記下部クラッド層の上に形成されており、
前記第１のコア部は、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層よりも屈折率の高い材料により形成されており、
前記第１のコア部に光を入射させることを特徴とする偏波変換素子。
（付記２）
前記第２のコア部が単独で存在する場合における前記第２のコア部の等価屈折率が、前記第１のコア部の屈折率以下であることを特徴とする付記１に記載の偏波変換素子。
（付記３）
前記第２のコア部が単独で存在する場合における前記第２のコア部を伝搬する光は高次モードであることを特徴とする付記１または２に記載の偏波変換素子。
（付記４）
前記第２のコア部は、前記コアにおける光の伝搬方向において、一部に形成されていることを特徴とする付記１から３のいずれかに記載の偏波変換素子。
（付記５）
前記第２のコア部における光の伝搬方向に垂直な断面の形状は、長方形であることを特徴とする付記１から４のいずれかに記載の偏波変換素子。
（付記６）
前記第２のコア部は、シリコンを含む材料により形成されており、
前記前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層は、酸化シリコンを含む材料により形成されていることを特徴とする付記１から５のいずれかに記載の偏波変換素子。
（付記７）
コアと、
コアの周囲に形成されたクラッドと、
を有し、
前記コアは、第１のコア部と、前記第１のコア部よりも屈折率の高い材料により形成された第２のコア部とを有しており、
前記第２のコア部は、前記コアにおける光の伝搬方向に垂直な断面において、中心よりずれた位置に形成されており、
前記第１のコア部は、前記クラッドよりも屈折率の高い材料により形成されており、
前記第１のコア部に光を入射させることを特徴とする偏波変換素子。
（付記８）
コアが、第１のコア部と、前記第１のコア部よりも屈折率の高い第２のコア部とを有する偏波変換素子の製造方法において、
前記偏波変換素子は、前記第１のコア部に光を入射させて伝搬させるものであって、
下部クラッド層の上に、前記第２のコア部を形成する工程と、
前記第２のコア部の上に、前記第１のコア部を形成する工程と、
前記第１のコア部の上に、上部クラッド層を形成する工程と、
を有し、
前記第１のコア部は、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層よりも屈折率の高い材料により形成されていることを特徴とする偏波変換素子の製造方法。

１０ クラッド
１１ 下部クラッド層
１２ 上部クラッド層
２０ コア
２１ 第１のコア部
２２ 第２のコア部

Claims (6)

1. 基板の上に形成された下部クラッド層と、
   前記下部クラッド層の上に形成されたコアと、
   前記コアの上面及び側面に形成された上部クラッド層と、
   を有し、
   前記コアは、第１のコア部と、前記第１のコア部よりも屈折率の高い材料により形成された第２のコア部とを有しており、
   前記第２のコア部は、前記下部クラッド層の上に形成されており、
   前記第１のコア部は、前記第２のコア部及び前記下部クラッド層の上に形成されており、
   前記第１のコア部は、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層よりも屈折率の高い材料により形成されており、
   前記第１のコア部に光を入射させることを特徴とする偏波変換素子。
2. 前記第２のコア部が単独で存在する場合における前記第２のコア部の等価屈折率が、前記第１のコア部の屈折率以下であることを特徴とする請求項１に記載の偏波変換素子。
3. 前記第２のコア部が単独で存在する場合における前記第２のコア部を伝搬する光は高次モードであることを特徴とする請求項１または２に記載の偏波変換素子。
4. 前記第２のコア部における光の伝搬方向に垂直な断面の形状は、長方形であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の偏波変換素子。
5. コアと、
   コアの周囲に形成されたクラッドと、
   を有し、
   前記コアは、第１のコア部と、前記第１のコア部よりも屈折率の高い材料により形成された第２のコア部とを有しており、
   前記第２のコア部は、前記コアにおける光の伝搬方向に垂直な断面において、中心よりずれた位置に形成されており、
   前記第１のコア部は、前記クラッドよりも屈折率の高い材料により形成されており、
   前記第１のコア部に光を入射させることを特徴とする偏波変換素子。
6. コアが、第１のコア部と、前記第１のコア部よりも屈折率の高い第２のコア部とを有する偏波変換素子の製造方法において、
   前記偏波変換素子は、前記第１のコア部に光を入射させて伝搬させるものであって、
   下部クラッド層の上に、前記第２のコア部を形成する工程と、
   前記第２のコア部の上に、前記第１のコア部を形成する工程と、
   前記第１のコア部の上に、上部クラッド層を形成する工程と、
   を有し、
   前記第１のコア部は、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層よりも屈折率の高い材料により形成されていることを特徴とする偏波変換素子の製造方法。

Images