JP2015135409A - Polarization separation element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、偏波分離素子に関するものである。 The present invention relates to a polarization separation element.
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。 As a method for performing high-speed and large-capacity signal transmission, there is optical communication, and a long-distance backbone communication system has already been put into practical use. In addition, optical communication has been put into practical use between information system devices such as computers in order to increase the speed of signal transmission. In the future, practical use in information system devices and between boards is in the field of view.
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。 In such optical communication, an optical fiber is used as a wiring member for transmitting an optical signal. Examples of components for processing optical signals include an optical transceiver, an optical coupler / splitter, an AWG (Arrayed Waveguide Grating), and the like, and these are preferably formed using an optical waveguide.
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。 On the other hand, in recent years, silicon photonics is being used as an optical waveguide component in optical communication. Silicon photonics has an advantage that an optical waveguide component can be formed in a very small region by microfabrication in a semiconductor manufacturing process. Therefore, silicon photonics is advantageous in downsizing an apparatus used for optical communication.
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。 Usually, in silicon photonics, silicon (n> 3) having a very high refractive index is used as a core, so that very strong light confinement is realized, which greatly contributes to miniaturization of optical waveguide components. . However, strong confinement of light in silicon photonics has a side effect that polarization (= polarization) dependence is large. For this reason, currently, optical waveguide components that operate only with one polarization are designed and manufactured. In general, silicon photonics operating in the TE (Transverse Electric) mode is the mainstream, but the operation in the TM (Transverse Magnetic) mode can also be applied.
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。 Since the polarization state of the optical signal propagating through the optical fiber is indefinite, a response is required for the optical waveguide component on the receiving side. In the conventional silica-based optical waveguide component, the difference in loss between the TE mode and the TM mode can be kept within the standard, and the optical fiber can be connected as it is. However, since silicon photonics currently operates with only one polarization as described above, the other polarization cannot be used even if an optical fiber is simply connected. Therefore, for example, when the received light from the optical fiber is in the TM state, the silicon photonics may not be able to receive the light.
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により、TEモードに変換する。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。 For this reason, a structure called polarization diversity is disclosed (for example, Non-Patent Document 1). In this method, received light from an optical fiber is coupled to a silicon optical waveguide by a spot size converter, and immediately separated into a TE mode and a TM mode using a polarization splitter (separator). Thereafter, the separated TM mode is converted into a TE mode by a polarization converter. Thereby, the received light from the optical fiber can be used as two TE modes.
この際用いられるスポットサイズ変換器においては、例えば、先端部分が徐々に細くなっている先細りのテーパのシリコン光導波路と、このシリコン光導波路を覆うセカンドコアとにより形成されている(例えば、特許文献1〜3)。 The spot size converter used at this time is formed by, for example, a tapered taper silicon optical waveguide whose tip portion is gradually narrowed and a second core that covers the silicon optical waveguide (for example, Patent Documents). 1-3).
しかしながら、上述した偏波ダイバーシティにおいては、スポットサイズ変換器、偏波スプリッタ、偏波回転器の3つの要素となる素子が必要であり、各々別々の光導波路部品として配置されている。これらの要素となる素子は、各々に最適な屈折率や立体構造が異なっているため、同時に一括して形成することが困難である。即ち、屈折率が異なる材料により形成されているため、各々の要素となる素子を形成する工程が必要となり、製造に要する時間が長くなる。 However, in the above-described polarization diversity, elements serving as three elements, that is, a spot size converter, a polarization splitter, and a polarization rotator are required, and are arranged as separate optical waveguide components. Since the elements serving as these elements have different optimum refractive indexes and three-dimensional structures, it is difficult to form them simultaneously. In other words, since they are formed of materials having different refractive indexes, a process for forming elements as respective elements is required, and the time required for manufacturing becomes long.
更に、異なる材料により形成された要素となる素子を近接して形成することは、一般的に困難であり、偏波ダイバーシティのために、ある程度の領域を確保する必要が有り、このため、大型化してしまう。即ち、光ファイバ1本であれば、確保される領域も狭いため、さほど問題にはならないが、シリコンフォトニクスは大容量のデータを扱うために導入される場合が多く、必然的に用いられる光ファイバの本数も多くなる。このため、シリコンフォトニクスは、小型にすることができることを特徴の1つとしているが、この特徴が活かされることなく、大型化してしまう。 Furthermore, it is generally difficult to form elements that are elements made of different materials close to each other, and it is necessary to secure a certain area for polarization diversity. End up. In other words, with a single optical fiber, the area to be secured is small, so this is not a problem. However, silicon photonics is often introduced to handle large volumes of data, and is inevitably used. The number of will also increase. For this reason, silicon photonics has one of the features that it can be reduced in size, but the size is increased without taking advantage of this feature.
このため、スポットサイズ変換器、偏波スプリッタ、偏波回転器の3つの要素となる素子のうち、複数の要素となる素子を一体化することができれば、小型化や製造工程の簡素化において、有利となり、低コストで製造することが可能となる。 For this reason, if the elements that are a plurality of elements among the elements that are the three elements of the spot size converter, the polarization splitter, and the polarization rotator can be integrated, in miniaturization and simplification of the manufacturing process, It becomes advantageous and can be manufactured at low cost.
従って、スポットサイズ変換器と偏波スプリッタとを一体化した偏波分離素子のような小型で低コストな偏波分離素子が求められている。 Accordingly, there is a need for a small and low-cost polarization separation element such as a polarization separation element in which a spot size converter and a polarization splitter are integrated.
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第1の光導波路及び第2の光導波路と、前記第1の光導波路に形成されている先端に近づくに伴い先が細くなる第1の先細りテーパ部と、前記第2の光導波路に形成されている先端に近づくに伴い先が細くなる第2の先細りテーパ部と、前記第1の光導波路における第1の先細りテーパ部及び前記第2の光導波路における第2の先細りテーパ部を覆うセカンドコアと、前記セカンド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、前記第1の光導波路及び前記第2の光導波路は前記セカンドコア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の先細りテーパ部及び前記第2の先細りテーパ部は、光の伝搬方向において直列に配置されていることを特徴とする。 According to one aspect of the present embodiment, a lower cladding layer formed on a substrate, a first optical waveguide and a second optical waveguide formed on the lower cladding layer, and the first optical waveguide A first taper taper portion that tapers as it approaches the tip formed in the optical waveguide, and a second taper taper portion that tapers as it approaches the tip formed in the second optical waveguide. A second core that covers the first tapered taper portion in the first optical waveguide and the second tapered taper portion in the second optical waveguide; and an upper cladding layer formed on the upper surface and side surfaces of the second core; The first optical waveguide and the second optical waveguide are made of a material having a refractive index higher than that of the second core, and the first tapered taper portion and the second tapered taper portion Light propagation Characterized in that it is arranged in series in the direction.
開示の偏波分離素子によれば、偏波分離素子を小型にすることができ、低コストで製造することができる。 According to the disclosed polarization separation element, the polarization separation element can be reduced in size and can be manufactured at low cost.
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。 The form for implementing is demonstrated below. In addition, about the same member etc., the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
〔第1の実施の形態〕
最初に、偏波ダイバーシティにおいて用いられる3つの要素となる素子のうち、スポットサイズ変換器について、図1に基づき説明する。尚、スポットサイズ変換器10は、シリコンフォトニクスにおける光導波路と光ファイバ20との接合に用いられるものである。即ち、光導波路を伝搬している光を光ファイバ20に入射、また、光ファイバ20を伝搬している光を光導波路に入射させるために用いられる。光ファイバ20は、コア21の周囲にクラッド22が形成されており、光はコア21を伝搬する。シリコンフォトニクスにおいて形成される光導波路は、光ファイバ20におけるコア21よりも狭いため、シリコンフォトニクスにおける光導波路と光ファイバ20との接合の際には、光のスポットサイズを変換するスポットサイズ変換器10が必要となる。尚、一般的なシングルモード光ファイバのコア径は約8.2μmであり、コア径の小さな高NAシングルモード光ファイバのコア径は約2.4μmである。
[First Embodiment]
First, a spot size converter among the three elements used in the polarization diversity will be described with reference to FIG. The
スポットサイズ変換器10は、コアとなるシリコン光導波路11、シリコン光導波路11を覆うセカンドコア12、シリコン光導波路11及びセカンドコア12の周囲を覆う不図示のクラッドにより形成されている。シリコン光導波路11の端部には、光ファイバ20に近づくに伴い、幅が細くなる先細りテーパ部11aが形成されている。このように、シリコン光導波路11に先細りテーパ部11aを形成することにより、シリコン光導波路11を伝搬していた光は、セカンドコア12に広がるため、光ファイバ20のコア21に効率よく入射させることができる。
The
シリコン光導波路11においては、一般的には、TEモードの光を伝搬させているが、光ファイバにおいては、TEモードの光及びTMモードの光の双方が伝搬している。このため、TMモードの光を用いる場合には、TEモードの光とTMモードの光を分離する偏波スプリッタ、TMモードの光をTEモードの光に変換する偏波回転器が必要となる。従って、偏波ダイバーシティにおいて、図1に示されるスポットサイズ変換器10を用いた場合には、このスポットサイズ変換器10の後段に、別部品として偏波スプリッタ及び偏波回転器が配置される。
In the silicon
(偏波分離素子)
本実施の形態における偏波分離素子について、図2及び図3に基づき説明する。本実施の形態における偏波分離素子は、偏波ダイバーシティにおいて用いられるスポットサイズ変換器、偏波スプリッタ、偏波回転器の3つの要素となる素子のうち、スポットサイズ変換器と偏波スプリッタとを一体化したものである。
(Polarization separation element)
The polarization separation element in the present embodiment will be described with reference to FIGS. The polarization separation element according to the present embodiment includes a spot size converter and a polarization splitter among elements that are three elements of a spot size converter, a polarization splitter, and a polarization rotator used in polarization diversity. It is an integrated one.
本実施の形態における偏波分離素子は、屈折率が約3.48となるシリコン(Si)により形成された第1のシリコン光導波路110と第2のシリコン光導波路120とを有している。第1のシリコン光導波路110の端部には、光ファイバ20に近づくに伴い先が細くなる第1の先細りテーパ部111が形成されており、第1の先細りテーパ部111における光ファイバ20に最も近い部分が、先端111aとなる。第2のシリコン光導波路120の端部には、光ファイバ20に近づくに伴い先が細くなる第2の先細りテーパ部121が形成されており、第2の先細りテーパ部121における光ファイバ20に最も近い部分が、先端121aとなる。
The polarization separation element according to the present embodiment has a first silicon
また、第1のシリコン光導波路110に形成されている第1の先細りテーパ部111及び第2のシリコン光導波路120に形成されている第2の先細りテーパ部121が形成されている領域は、セカンドコア130により覆われている。セカンドコア130は、断面の形状が四角であって、光の伝搬方向に長く延びた形状により形成されている。本実施の形態においては、セカンドコア130は、屈折率が約1.46となる酸窒化シリコン(SiON)により形成されている。尚、上述した屈折率の値は、波長1550nmの光のおける値である。
In addition, the region where the first
図3に示すように、本実施の形態においては、第1のシリコン光導波路110及び第2のシリコン光導波路120は、シリコン基板101の上の下部クラッド層102の上に形成されている。更に、第1のシリコン光導波路110、第2のシリコン光導波路120及びセカンドコア130を覆うように、上部クラッド層131が形成されている。下部クラッド層102及び上部クラッド層131は、屈折率が約1.44となる酸化シリコン(SiO2)膜により形成されており、上部クラッド層131と下部クラッド層102によりクラッドが形成される。
As shown in FIG. 3, in the present embodiment, the first silicon
本実施の形態における偏波分離素子は、第1のシリコン光導波路110における第1の先細りテーパ部111の先端111aが、第2のシリコン光導波路120における第2の先細りテーパ部121の先端121aよりも、光ファイバ20の近い位置に形成されている。また、第1のシリコン光導波路110における第1の先細りテーパ部111と第2のシリコン光導波路120における第2の先細りテーパ部121とは、各々の伸びる方向が光の伝搬方向であり、光の伝搬方向において直列となるように形成されている。
In the polarization separation element according to the present embodiment, the
また、第1のシリコン光導波路110における第1の先細りテーパ部111の先端111aは、第2のシリコン光導波路120における第2の先細りテーパ部121の先端121aよりも広く形成されている。即ち、光導波路の端部における先細りテーパ部の先端を広くすることにより、TEモードの光の選択性を高めることができる。従って、第1のシリコン光導波路110における第1の先細りテーパ部111の先端111aの幅は100nm〜150nm、第2のシリコン光導波路120における第2の先細りテーパ部121の先端121aの幅は50nm以下となるように形成する。
Further, the
これにより、光ファイバ20からセカンドコア130に入射した光のうち、TEモードの光は、第1のシリコン光導波路110における第1の先細りテーパ部111において分離され、第1のシリコン光導波路110を伝搬する。また、セカンドコア130を伝搬している残りのTMモードの光は、第2の先細りテーパ部121より第2のシリコン光導波路120に入り、第2のシリコン光導波路120を伝搬する。従って、本実施の形態における偏波分離素子は、光ファイバ20内を伝搬しているTMモードの光とTEモードの光を分離することができるため、偏波スプリッタとしての機能を有している。
As a result, among the light incident on the
また、第1のシリコン光導波路110における第1の先細りテーパ部111及び第2のシリコン光導波路120における第2の先細りテーパ部121はセカンドコア130に覆われているため、各々が、スポットサイズ変換器としての機能も有している。
Further, since the first
よって、本実施の形態における偏波分離素子は、偏波スプリッタとスポットサイズ変換器とが一体化されたものであり、小型化及び低コスト化に有利となる。尚、本実施の形態における偏波分離素子は、第2のシリコン光導波路120の後段に、偏波回転器を設けることにより、偏波ダイバーシティとなる。
Therefore, the polarization separation element in the present embodiment is an integration of the polarization splitter and the spot size converter, which is advantageous for downsizing and cost reduction. Note that the polarization separation element in the present embodiment has polarization diversity by providing a polarization rotator in the subsequent stage of the second silicon
(偏波分離素子の製造方法)
次に、本実施の形態における偏波分離素子の製造方法について、図4及び図5に基づき説明する。本実施の形態においては、SOI(Silicon on Insulator)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。
(Method for manufacturing polarization separation element)
Next, a method for manufacturing the polarization separating element in the present embodiment will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, a case where a polarization conversion element is manufactured using an SOI (Silicon on Insulator) substrate will be described, but a manufacturing method for manufacturing without using an SOI substrate may be used.
最初に、図4(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101の上に、下部クラッド層102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102となる酸化シリコン膜の上にシリコン層103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102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103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103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、N2O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。これにより、第1のシリコン光導波路110及び第2のシリコン光導波路120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。
First, as shown in FIG. 4A, a
次に、図4(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CF4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。
Next, as shown in FIG. 4B, the
次に、図4(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103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1のシリコン光導波路110及び第2のシリコン光導波路120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103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103により、第1のシリコン光導波路110及び第2のシリコン光導波路120が形成される。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。
Next, as shown in FIG. 4C, by removing the
次に、図5(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102、第1のシリコン光導波路110及び第2のシリコン光導波路120の上に、SiON膜130aを形成し、SiON膜130aの上に、レジストパターン142を形成する。尚、SiON膜130aは、セカンドコア130を形成するためのものである。具体的には、SiON膜130a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。この際成膜されるSiON膜130aにおける屈折率は、1.46である。この後、SiON膜130a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、セカンドコア130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。
Next, as shown in FIG. 5A, an
次に、図5(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130a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130aにより、セカンドコア130を形成する。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。
Next, as shown in FIG. 5B, by removing the
次に、図5(c)に示すように、セカンドコア130、第1のシリコン光導波路110及び第2のシリコン光導波路120の露出している部分を覆うように、酸化シリコン膜を成膜することにより、上部クラッド層131を形成する。形成されている上部クラッド層131となる酸化シリコン膜は、膜厚が1μmとなるようにCVDによる成膜により形成されている。これにより、下部クラッド層102と上部クラッド層131によりクラッドが形成される。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。
Next, as illustrated in FIG. 5C, a silicon oxide film is formed so as to cover the exposed portions of the
尚、更に、TEモードの選択性能を高めるためには、第1のシリコン光導波路110が厚くなるように形成するとよい。具体的には、SOI基板100におけるシリコン層103の上の第1のシリコン光導波路110が形成される領域にのみ、膜厚が10nm〜100nmのシリコン層を成膜する。この後に、上述した工程を行なうとにより、1のシリコン光導波路110を厚く形成することができる。また、シリコン層103の厚さが300nmのSOI基板100を用いた方法であってもよい。この場合、第1のシリコン光導波路110が形成される領域を除き、シリコン層103の厚さが250nmまでドライエッチング等により除去した後、上述した工程を行なうとにより、第1のシリコン光導波路110を厚く形成することができる。
Furthermore, in order to further improve the TE mode selection performance, the first silicon
次に、図6に基づき、本実施の形態における偏波分離素子において、第1のシリコン光導波路110及び第2のシリコン光導波路120で検出されるTEモードの光及びTMモードの光について説明する。図6は、本実施の形態における偏波分離素子に、光ファイバ20より光を入射させた場合において、シミュレーションした結果である。第1のシリコン光導波路110及び第2のシリコン光導波路120においては、10dB以上の消光比で、TMモードの光とTEモードの光とを分離することができる。即ち、本実施の形態における偏波分離素子では、第1のシリコン光導波路110には、TEモードの光の殆どが伝搬しており、第2のシリコン光導波路120には、TMモードの光の殆どが伝搬している。
Next, the TE mode light and TM mode light detected by the first silicon
〔第2の実施の形態〕
次に、第2の実施の形態について説明する。本実施の形態は、偏波ダイバーシティにおいて、3つの要素となる素子であるスポットサイズ変換器、偏波スプリッタ、偏波回転器を一体化した偏波分離素子である。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described. The present embodiment is a polarization separation element in which a spot size converter, a polarization splitter, and a polarization rotator, which are three elements in polarization diversity, are integrated.
図7に示すように、本実施の形態における偏波分離素子は、第1のシリコン光導波路110の第1の先細りテーパ部111と第2のシリコン光導波路120の第2の先細りテーパ部121との間において偏波回転部312が設けられている。偏波回転部312はセカンドコア130を伝搬している光の偏波を回転させるものであり、後述するように、偏波回転部312を光の伝搬方向において、所定の長さで形成することにより、TMモードの光をTEモードの光に変換することができる。このように、セカンドコア130においてTMモードからTEモードに変換された光は、第2のシリコン光導波路120においてTEモードの光として伝搬する。本実施の形態においては、第1のシリコン光導波路110は、光ファイバ20が設置されている側から、第1の先細りテーパ部111、偏波回転部312の順に形成されている。尚、第1の先細りテーパ部111の先端111aが、第1のシリコン光導波路110における光ファイバ20が設置されている側の端部となる。
As shown in FIG. 7, the polarization separation element in the present exemplary embodiment includes a first
偏波回転部312は、セカンドコア130の断面における周辺部となる4隅のいずれかの近傍に形成されている。このようにセカンドコア130の断面における周辺部となる4隅のいずれかの近傍に偏波回転部312を形成することにより、偏波回転部312が形成されている領域の近傍のセカンドコア130を伝搬する光の偏波を回転させることができる。
The
従って、光ファイバ20からセカンドコア130に入射した光のうち、TEモードの光は、第1のシリコン光導波路110における第1の先細りテーパ部111において分離され、第1のシリコン光導波路110を伝搬する。この後、セカンドコア130を伝搬している残りのTMモードの光は、偏波回転部312においてTEモードの光に変換された後、第2のシリコン光導波路120における第2の先細りテーパ部121に入り、第2のシリコン光導波路120を伝搬する。即ち、第2のシリコン光導波路120には、セカンドコア130の偏波回転部312が形成されている領域においてTMモードからTEモードに変換された光が伝搬する。よって、第1のシリコン光導波路110及び第2のシリコン光導波路120には、ともにTEモードの光が伝搬する。
Accordingly, among the light incident on the
従って、本実施の形態においては、偏波回転器を別途設けることなく、TMモードの光をTEモードに変換することができ、偏波ダイバーシティにおいて、3つの要素となる素子であるスポットサイズ変換器、偏波スプリッタ、偏波回転器を一体化することができる。 Therefore, in the present embodiment, the TM mode light can be converted to the TE mode without separately providing a polarization rotator, and the spot size converter which is an element that becomes three elements in the polarization diversity. The polarization splitter and the polarization rotator can be integrated.
(偏波回転部)
次に、本実施の形態における偏波回転部312を説明するため、セカンドコア130に入射した光のモードについて説明する。図8(a)に示されるように、セカンドコア130に、偏波回転部312が形成されていない場合には、光はTEモードまたはTMモードで伝搬する。図9(a)は、偏波回転部312が形成されていないセカンドコア130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、図9(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。
(Polarization rotator)
Next, in order to describe the
一方、図8(b)に示されるように、セカンドコア130の断面における周辺部に偏波回転部312が形成されている場合には、セカンドコア130を伝搬する光は、図10に示されるようにモード軸が傾く。例えば、TEモードの光の場合、図10(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、偏波回転部312が形成されている部分において生じるため、偏波回転部312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、偏波回転部312の長さを調節することにより、TEモードの光をTMモードの光に変換することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 8B, when the
ところで、安定した偏波変換を行なうためには、セカンドコア130と偏波回転部312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、偏波回転部312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、セカンドコア130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、偏波回転部312の断面における大きさにより調整可能である。偏波回転部312の断面を小さくすると、等価屈折率は小さくなり、クラッドの屈折率に近づいていく。更に、偏波回転部312の断面を大きくすると、等価屈折率は大きくなる。
By the way, in order to perform stable polarization conversion, it is necessary that the equivalent refractive indexes in the modes match each other in a state where the
図11は、本実施の形態における偏波変換素子において、偏波回転部312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、偏波回転部312の幅は480nmとし、偏波回転部312が単独で存在している状態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、偏波回転部312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。
FIG. 11 shows a result obtained by simulation regarding the relationship between the length in the
図11に示されるように、偏波回転部312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。
As shown in FIG. 11, by setting the length of the
本実施の形態における説明では、セカンドコア130をSiONにより形成した場合について説明したが、セカンドコア130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1のシリコン光導波路110等をSiにより形成した場合について説明したが、第1のシリコン光導波路110等は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。
In the description of the present embodiment, the case where the
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。 Although the embodiment has been described in detail above, it is not limited to the specific embodiment, and various modifications and changes can be made within the scope described in the claims.
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第1の光導波路及び第2の光導波路と、
前記第1の光導波路に形成されている先端に近づくに伴い先が細くなる第1の先細りテーパ部と、
前記第2の光導波路に形成されている先端に近づくに伴い先が細くなる第2の先細りテーパ部と、
前記第1の光導波路における第1の先細りテーパ部及び前記第2の光導波路における第2の先細りテーパ部を覆うセカンドコアと、
前記セカンド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、
前記第1の光導波路及び前記第2の光導波路は前記セカンドコア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の先細りテーパ部及び前記第2の先細りテーパ部は、光の伝搬方向において直列に配置されていることを特徴とする偏波分離素子。
(付記2)
前記偏波分離素子は、光ファイバと接続されるものであって、
前記第1の先細りテーパ部の先端は、前記第2の先細りテーパ部の先端よりも、前記光ファイバに近い位置に形成されており、
前記第1の先細りテーパ部の先端における幅は、前記第2の先細りテーパ部の先端における幅よりも広いことを特徴とする付記1に記載の偏波分離素子。
(付記3)
前記第1の光導波路には、TEモードの光が伝搬し、前記第2の光導波路には、TMモードの光が伝搬することを特徴とする付記1または2に記載の偏波分離素子。
(付記4)
前記第1の先細りテーパ部と前記第2の先細りテーパ部との間には、前記第1の光導波路及び前記第2の光導波路と同じ材料により偏波回転部が形成されており、
前記偏波回転部は前記セカンドコアの周辺部に形成されており、前記セカンドコアを伝搬する光は、前記偏波回転部が形成されている領域において偏波が回転することを特徴とする付記1に記載の偏波分離素子。
(付記5)
前記偏波回転部は、前記セカンドコアを伝搬しているTMモードをTEモードに、TEモードをTMモードに変換されることを特徴とする付記4に記載の偏波分離素子。
(付記6)
前記第1の光導波路には、TEモードの光が伝搬し、前記第2の光導波路には、TEモードの光が伝搬することを特徴とする付記4または5に記載の偏波分離素子。
(付記7)
前記第1の光導波路及び前記第2の光導波路は、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6のいずれかに記載の偏波変換素子。
In addition to the above description, the following additional notes are disclosed.
(Appendix 1)
A lower cladding layer formed on the substrate;
A first optical waveguide and a second optical waveguide formed on the lower cladding layer;
A first tapered taper portion that tapers as it approaches the tip formed in the first optical waveguide;
A second taper taper that tapers as it approaches the tip formed in the second optical waveguide;
A second core covering the first tapered taper portion in the first optical waveguide and the second tapered taper portion in the second optical waveguide;
An upper cladding layer formed on the upper and side surfaces of the second core;
Have
The first optical waveguide and the second optical waveguide are made of a material having a higher refractive index than the second core,
The polarization separating element, wherein the first taper taper and the second taper taper are arranged in series in a light propagation direction.
(Appendix 2)
The polarization separation element is connected to an optical fiber,
The tip of the first taper taper portion is formed closer to the optical fiber than the tip of the second taper taper portion,
The polarization separation element according to appendix 1, wherein a width at a tip of the first taper taper portion is wider than a width at a tip of the second taper taper portion.
(Appendix 3)
The polarization separation element according to appendix 1 or 2, wherein TE mode light propagates through the first optical waveguide, and TM mode light propagates through the second optical waveguide.
(Appendix 4)
Between the first tapered taper portion and the second tapered taper portion, a polarization rotation portion is formed of the same material as the first optical waveguide and the second optical waveguide,
The polarization rotator is formed in a peripheral portion of the second core, and the light propagating through the second core rotates in the region where the polarization rotator is formed. 1. The polarization separation element according to 1.
(Appendix 5)
The polarization separation element according to appendix 4, wherein the polarization rotating unit converts the TM mode propagating through the second core into a TE mode and the TE mode into a TM mode.
(Appendix 6)
The polarization separation element according to appendix 4 or 5, wherein TE mode light propagates through the first optical waveguide, and TE mode light propagates through the second optical waveguide.
(Appendix 7)
The first optical waveguide and the second optical waveguide are made of a material containing silicon,
The polarization conversion element according to any one of appendices 1 to 6, wherein the lower clad layer and the upper clad layer are made of a material containing silicon oxide.
20 光ファイバ
21 コア
22 クラッド
100 SOI基板
101 シリコン基板
102 下部クラッド層
103 シリコン層
110 第1のシリコン光導波路
111 第1の先細りテーパ部
111a 先端
120 第2のシリコン光導波路
121 第2の先細りテーパ部
121a 先端
130 セカンドコア
131 上部クラッド層
20
Claims (3)
前記下部クラッド層の上に形成された第1の光導波路及び第2の光導波路と、
前記第1の光導波路に形成されている先端に近づくに伴い先が細くなる第1の先細りテーパ部と、
前記第2の光導波路に形成されている先端に近づくに伴い先が細くなる第2の先細りテーパ部と、
前記第1の光導波路における第1の先細りテーパ部及び前記第2の光導波路における第2の先細りテーパ部を覆うセカンドコアと、
前記セカンド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、
前記第1の光導波路及び前記第2の光導波路は前記セカンドコア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の先細りテーパ部及び前記第2の先細りテーパ部は、光の伝搬方向において直列に配置されていることを特徴とする偏波分離素子。 A lower cladding layer formed on the substrate;
A first optical waveguide and a second optical waveguide formed on the lower cladding layer;
A first tapered taper portion that tapers as it approaches the tip formed in the first optical waveguide;
A second taper taper that tapers as it approaches the tip formed in the second optical waveguide;
A second core covering the first tapered taper portion in the first optical waveguide and the second tapered taper portion in the second optical waveguide;
An upper cladding layer formed on the upper and side surfaces of the second core;
Have
The first optical waveguide and the second optical waveguide are made of a material having a higher refractive index than the second core,
The polarization separating element, wherein the first taper taper and the second taper taper are arranged in series in a light propagation direction.
前記第1の先細りテーパ部の先端は、前記第2の先細りテーパ部の先端よりも、前記光ファイバに近い位置に形成されており、
前記第1の先細りテーパ部の先端における幅は、前記第2の先細りテーパ部の先端における幅よりも広いことを特徴とする請求項1に記載の偏波分離素子。 The polarization separation element is connected to an optical fiber,
The tip of the first taper taper portion is formed closer to the optical fiber than the tip of the second taper taper portion,
2. The polarization separation element according to claim 1, wherein a width at a tip of the first taper taper portion is wider than a width at a tip of the second taper taper portion.
前記偏波回転部は前記セカンドコアの周辺部に形成されており、前記セカンドコアを伝搬する光は、前記偏波回転部が形成されている領域において偏波が回転することを特徴とする請求項1に記載の偏波分離素子。 Between the first tapered taper portion and the second tapered taper portion, a polarization rotation portion is formed of the same material as the first optical waveguide and the second optical waveguide,
The polarization rotation unit is formed in a peripheral portion of the second core, and the light propagating through the second core rotates in the region where the polarization rotation unit is formed. Item 2. The polarization separation element according to item 1.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP6002795B1 (en) * | 2015-03-30 | 2016-10-05 | 沖電気工業株式会社 | Spot size converter |
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US5133029A (en) * | 1991-06-28 | 1992-07-21 | Bell Communications Research, Inc. | Adiabatic polarization splitter |
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