JP2015219295A - 偏波回転素子 - Google Patents

Abstract

【課題】第二コア材料による光吸収を最小限に抑えた偏波回転素子を提供する。【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コア３と、光伝搬方向と垂直な断面が矩形の第二コア５と、第一、第二コア３，５を覆うように配置されたクラッド２，６とから構成される。第一コア３の屈折率は第二コア５およびクラッド２，６の屈折率よりも大きく、第二コア５の屈折率はクラッド２，６の屈折率よりも大きい。第二コア５は、第一コア３から水平方向および垂直方向に離間して配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、光通信における偏波制御技術に関し、特に偏波回転技術に関するものである。

光通信の大容量化に伴い、基幹網に加え加入者網でも光通信装置の小型高密度集積化が求められている。光通信装置を小型高密度集積化するためには、光集積回路を小型化する必要があり、強い光閉じ込めが可能なシリコン系材料を用いた光集積回路の開発が進んでいる。

シリコン系材料を用いた光集積回路は、シリコンをコアとし、シリコン酸化物等をクラッドとすることで強い光閉じ込めにより、数マイクロメートルと言った急峻な曲げ導波路を実現することで形成される。このようなシリコン細線型光導波路の光学特性は、コアサイズやクラッド材料の屈折率に敏感であり、大きな構造複屈折を生む。結果として偏波依存性が大きくなる。

一般に長距離通信向け光通信装置は、環境温度等が比較的安定な局舎内だけでなく、海底、地中、屋外などにも設置されるため、環境変動を受けやすい。安定な光通信を実現するためには、光通信装置は、環境変動に対し頑強な構成をしていることが求められる。振動や温度変化は光の偏波状態を変動させるため、光通信装置の偏波依存性を低減することが必要である。更に、近年は偏波多重による大容量化が進んでおり、光通信装置の偏波依存性を低減することが急務となっている。

シリコン細線型光導波路の偏波依存性の低減に向け、偏波制御に関する基盤技術の研究開発が進んでいる。特許文献１はシリコン細線型光導波路の偏波回転を実現するものである。当該手法では第一コアの中心軸と第二コアの中心軸が一致しない偏芯二重コア構造を用いている。偏芯二重コア構造では、光学的な固有軸が基板に対し斜め４５度傾いた状態になるため、基板に対し水平あるいは垂直に傾いた偏波が入射され、所定の距離伝搬することで偏波面が９０度回転するものである。

特開２００６−３３０１０９号公報

偏芯二重コア構造による偏波回転素子は、偏波回転の機能は満たすものの、別の新たな課題を生ずる。図９（Ａ）〜図９（Ｉ）は特許文献１に開示された従来の偏芯二重コア構造による偏波回転素子の製造工程の例を示す工程断面図である。偏芯二重コアは、基板１１上に形成された下部クラッド１２の上部に形成される。シリコンからなる第一コア１３は、屈折率がシリコンより小さい材料からなる第二コア１６により包含される形で形成される。第二コア１６は、シリコン窒化物あるいはシリコン酸窒化物から構成されることが多いが、これらの材料に含まれるＮＨ基は、光通信で用いる光波長帯域１．５マイクロメートル付近の波長の光に対し吸収性を有する。一方で、これらの第二コア材料は、微細加工で用いられるドライエッチングプロセスにおいて、第一コア材料であるシリコンに近い選択比を持つ。

図９（Ａ）、図９（Ｄ）、図９（Ｇ）に示すように、光集積回路の下部クラッド１２の上には、偏波回転素子の第一コア１３と同じシリコンからなる光導波路１４が形成される。上記のとおり第二コア材料はドライエッチングプロセスにおいてシリコンに近い選択比を持つため、図９（Ａ）に示す光集積回路の上に第二コア材料１５を成膜した後に（図９（Ｂ））、光導波路１４の周辺から第二コア材料１５を選択的に除去して（図９（Ｃ））、偏波回転素子の第一コア１３の近傍部分のみに第二コア１６を形成することは困難である。

また、第二コア材料は、化学気相堆積法により成膜されることが多い。このため、図９（Ｄ）に示す第一コア１３のみを覆うように第二コア材料１５を成膜し（図９（Ｅ））、この第二コア材料１５を加工して（図９（Ｆ））、第一コア１３の近傍部分のみに第二コア１６を形成することも困難である。

結果として、図９（Ｇ）に示す光集積回路の全域にわたり第二コア材料１５を成膜した後に（図９（Ｈ））、偏波回転素子の近傍の一部の第二コア材料１５のみを選択的に除去することになる（図９（Ｉ））。偏波回転素子の第一コア１３とは異なる光導波路１４の周辺は、第二コア材料１５で埋め尽くされる。これは、光導波路１４のクラッド材料が、偏波回転素子の第二コア１６と同じ組成になることを意味する。エバネッセント成分としてクラッド材料に浸み出す光の割合は、コア材料に閉じ込められる光の割合に比べて十分に少ないが、その影響が光集積回路全体にわたるため、従来の偏波回転素子を用いると、光集積回路における光吸収が大きくなり、光伝搬損失が大きくなるという問題点があった。

本発明はこのような課題を解決するものであり、第二コア材料による光吸収を最小限に抑えながら、偏波回転を実現する偏波回転素子を提供することを目的としている。

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コアと、光伝搬方向と垂直な断面が矩形の第二コアと、前記第一、第二コアを覆うように配置されたクラッドとから構成され、前記第一コアの屈折率が前記第二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、前記第二コアは、前記第一コアから水平方向および垂直方向に離間して配置されることを特徴とするものである。
また、本発明の偏波回転素子の１構成例において、前記第二コアは、厚さ一定のまま光の伝搬方向に沿って漸次断面積が大きくなるテーパ状の入力端部と、厚さ一定のまま光の伝搬方向に沿って漸次断面積が小さくなるテーパ状の出力端部とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の偏波回転素子の１構成例は、光の伝搬方向に沿って複数の前記第二コアを前記第一コアの両脇に交互に配置したことを特徴とするものである。

本発明によれば、第一コアの光伝搬方向の中心軸と第二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において、第二コアを第一コアから水平方向および垂直方向に離間して配置することにより、第二コアによる光吸収を最小限に抑えながら、偏波回転を実現することができ、従来の偏波回転素子と比較して光伝搬損失を小さくすることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る偏波回転素子の構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る偏波回転素子の製造工程の例を示す工程断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る偏波回転素子における固有モードの電場強度分布と実効屈折率とを示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る偏波回転素子の平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る偏波回転素子の平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る偏波回転素子の平面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る偏波回転素子の構造を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る偏波回転素子の製造工程の例を示す工程断面図である。 従来の偏芯二重コア構造による偏波回転素子の製造工程の例を示す工程断面図である。

［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コアと、中程度の屈折率材料からなる第二コアと、低屈折率材料からなるクラッドとから構成され、第一コアと第二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。さらに、本実施の形態では、第二コアを、第一コアから水平方向および垂直方向に離間して配置する。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る偏波回転素子の構造を示す断面図である。ここでは、偏波回転素子の光の導波軸に対する断面構造を示している。すなわち、図１の紙面に対して垂直な方向が光伝搬方向である。
シリコン基板１の上にはシリコン酸化膜からなる下部クラッド２が形成され、下部クラッド２の上には正方形断面を有する第一コア３が形成されている。この第一コア３を覆うように上部クラッド６が形成され、この上部クラッド６中に正方形断面を有する第二コア５が形成されている。第一コア３と第二コア５との間にある正方形断面の上部クラッド６は、上部クラッド６と同一の材料からなるスペーサ４としての役割を果たす。

例えば、第一コア３は２２０ナノメートル四方のシリコンからなり、第二コア５は６００ナノメートル四方のシリコン窒化膜からなり、スペーサ４は１００ナノメートル四方のシリコン酸化膜からなる。下部クラッド２と上部クラッド６もシリコン酸化膜からなる。すなわち、本実施の形態では、第一コアの屈折率＞第二コアの屈折率＞クラッドの屈折率という関係が成立する。上記のとおり、下部クラッド２と上部クラッド６は共にシリコン酸化膜であるので、下部クラッド２の厚さが３マイクロメートル程度と十分厚ければ上下方向に対称であるとみなせる。結果として、第一コア３と第二コア５とから形成される光導波路の固有軸（伝搬固有モードの軸）Ａ，Ｂは図１に示すようにシリコン基板１に対して４５°の傾きを持つ。

図２（Ａ）〜図２（Ｅ）は本実施の形態の偏波回転素子の製造工程の例を示す工程断面図である。まず、偏波回転素子の第一コア３および偏波回転素子の第一コア３とは異なる光導波路７を、下部クラッド２上に形成する（図２（Ａ））。続いて、第一コア３および光導波路７を覆うように上部クラッド６の第一層６ａを成膜する（図２（Ｂ））。上部クラッド６の第一層６ａ層上面の平坦性を保つために、化学機械研磨を施しても良い。この上部クラッド６の第一層６ａの上に第二コア材料５ａを成膜し（図２（Ｃ））、この第二コア材料５ａを加工して第二コア５を形成する（図２（Ｄ））。最後に、第二コア５を覆うように上部クラッド６の第二層６ｂを成膜する（図２（Ｅ））。

第一層６ａおよび第二層６ｂからなる上部クラッド６はＮＨ基を含まず、第二コア５は光導波路７とは直接接していないため、第二コア５の材料による光吸収の影響はない。第二コア５の形成は、微細加工で用いられるドライエッチングプロセスで可能であり、最後に上部クラッド６の第二層６ｂを堆積することにより所望のデバイス構造を得ることができる。

図３は本実施の形態の偏波回転素子における固有モードの電場強度分布と実効屈折率とをモードソルバによって計算した例を示す図である。ここでは、第一コア３は屈折率３．４７８で２２０ナノメートル四方の断面形状を有し、第二コア５は屈折率２．０００で６００ナノメートル四方の断面形状を有し、スペーサ４は屈折率１．４６５で１００ナノメートル四方の断面形状を有するものとし、下部クラッド２の屈折率を１．４４４、上部クラッド６の屈折率を１．４６５とした。また、第一コア３および第二コア５に入射する光の波長を１．５５マイクロメートルとした。２つの直交する固有モードのうちモード１の実効屈折率は１．６４０４であり、モード２の実効屈折率は１．６３０５であった。この２つの固有モードの実効屈折率の差から、概ねの長さが７８マイクロメートルの偏波回転素子中を光が伝搬すれば、偏波は９０度回転することが分かる。

図４は本実施の形態の偏波回転素子を上方から見た平面図である。ここでは、上部クラッド６の下にある第一コア３、第二コア５および下部クラッド２を透視しているものとする。図４に示すように、第二コア５の光伝搬方向の長さは、第一コア３の光伝搬方向の長さよりも短い。このような偏波回転素子に光を入射させる場合には、第一コア３の入力端（図４の例では左端）に光を入射させればよい。入射光は、第一コア３、第二コア５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第一コア３の出力端（図４の例では右端）から出射する。

以上のように、本実施の形態では、第一コア３の光伝搬方向の中心軸と第二コア５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、本実施の形態では、このような偏芯二重コア構造において第二コア５を第一コア３から水平方向（図１左右方向）および垂直方向（積層方向、図１上下方向）に離間して配置することにより、第二コア５による光吸収を最小限に抑えながら、偏波回転を実現することができる。

なお、第二コア５の材料としては、第一コア３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使用すればよい。クラッドの材料としては、シリコン酸化膜、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、その他の各種ポリマなどを使用すればよい。

［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は本発明の第２の実施の形態に係る偏波回転素子を上方から見た平面図であり、図１、図４と同様の構成には同一の符号を付してある。図４と同様に、ここでは上部クラッド６の下にある第一コア３、第二コア５および下部クラッド２を透視しているものとする。本実施の形態は、第二コア５の入力端部８を、厚さ一定のまま光の伝搬方向に沿って漸次断面積が大きくなるテーパ状とし、第二コア５の出力端部９を、厚さ一定のまま光の伝搬方向に沿って漸次断面積が小さくなるテーパ状としたことを特徴とする。この図５では第二コア５の平面図が台形となっているが，第二コア５の入力端部８および出力端部９は有限の先端幅を持つ形状でも良い。言い換えると、第二コア５の平面形状は六角形でも良い。

本実施の形態では、第二コア５にテーパ構造を導入したことにより、入力端部８および出力端部９での光の反射を抑制することができ、偏波回転素子の透過特性、波長特性などを改善することができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図６は本発明の第３の実施の形態に係る偏波回転素子を上方から見た平面図であり、図１、図４、図５と同様の構成には同一の符号を付してある。図４と同様に、ここでは上部クラッド６の下にある第一コア３、第二コア５および下部クラッド２を透視しているものとする。本実施の形態は、光の伝搬方向に沿って複数の第二コア５−１，５−２，５−３，５−４，・・・・を第一コア３の両脇に交互に配置したことを特徴とする。

本実施の形態では、第一コア３、第二コア５（５−１〜５−４）、スペーサ４の断面形状は、いずれも正方形である必要は無い。これらの断面形状が正方形でない場合、第二コア５の固有軸はシリコン基板に対し、４５度未満の傾きになるが、光導波路の固有軸がＸ度だけ傾いている第二コア５−１，５−２，５−３，５−４，・・・・をＮ回通過すると、偏波は２ＸＮ度だけ回転する。例えば固有軸が１５度だけ傾いている第二コア５を３回通過すると、９０度の偏波回転が得られる。よって、コア断面形状やスペーサ断面形状に制限があって、コアやスペーサの正方形断面を実現できない場合であっても、９０度の偏波回転を実現できるという効果がある。

なお、図６では各々の第二コア５−１，５−２，５−３，５−４，・・・・は入力端部と出力端部にテーパ構造を備えているが、テーパ構造を備えていない図４に示したような第二コアを、光の伝搬方向に沿って第一コア３の両脇に交互に配置してもよい。

［第４の実施の形態］
第１〜第３の実施の形態では、第二コア５を第一コア３の上方に配置しているが、図７に示すように第二コア５を第一コア３の下方に配置してもよい。
図８（Ａ）〜図８（Ｅ）は本実施の形態の偏波回転素子の製造工程の例を示す工程断面図である。まず、第二コア材料５ａを下部クラッド２上に成膜し（図８（Ａ））、この第二コア材料５ａを加工して第二コア５を形成する（図８（Ｂ））。続いて、第二コア５を覆うように上部クラッド６の第一層６ａを成膜する（図８（Ｃ））。上部クラッド６の第一層６ａ層上面の平坦性を保つために、化学機械研磨を施しても良い。この上部クラッド６の第一層６ａの上に偏波回転素子の第一コア３および偏波回転素子の第一コア３とは異なる光導波路７を形成する（図８（Ｄ））。最後に、第一コア３および光導波路７を覆うように上部クラッド６の第二層６ｂを成膜する（図８（Ｅ））。

本実施の形態では、第１〜第３の実施の形態で説明した効果に加えて、さらに第二コア５を第一コア３よりも先に形成することで、第二コア５のエッチングによる第一コア３のダメージを低減できるという効果がある。

本発明は、光通信装置に適用することができる。

１…シリコン基板、２…下部クラッド、３…第一コア、４…スペーサ、５…第二コア、６…上部クラッド、７…光導波路、８…入力端部、９…出力端部。

Claims (3)

1. 光伝搬方向と垂直な断面が矩形の第一コアと、
   光伝搬方向と垂直な断面が矩形の第二コアと、
   前記第一、第二コアを覆うように配置されたクラッドとから構成され、
   前記第一コアの屈折率が前記第二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、
   前記第二コアは、前記第一コアから水平方向および垂直方向に離間して配置されることを特徴とする偏波回転素子。
2. 請求項１記載の偏波回転素子において、
   前記第二コアは、
   厚さ一定のまま光の伝搬方向に沿って漸次断面積が大きくなるテーパ状の入力端部と、
   厚さ一定のまま光の伝搬方向に沿って漸次断面積が小さくなるテーパ状の出力端部とを備えることを特徴とする偏波回転素子。
3. 請求項１または２記載の偏波回転素子において、
   光の伝搬方向に沿って複数の前記第二コアを前記第一コアの両脇に交互に配置したことを特徴とする偏波回転素子。