JP2015219317A - Polarization beam splitter circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高偏波消光比を有する偏波分離回路に関する。 The present invention relates to a polarization separation circuit having a high polarization extinction ratio.
光通信システムの伝送容量の拡大を目的として、異なる四値位相偏移変調(QPSK:Quadrature Phase Shift Keying)信号を直交する偏光に多重化した偏波多重QPSK信号が広く用いられている。 For the purpose of expanding the transmission capacity of an optical communication system, a polarization multiplexed QPSK signal obtained by multiplexing different quadrature phase shift keying (QPSK) signals into orthogonal polarizations is widely used.
例えば、非特許文献1には、偏波多重QPSK信号を生成するための変調器が示されている。非特許文献1に示される変調器では、QPSK信号を生成する変調器を二つ用意し、一方の変調器からの信号は半波長板を用いて偏波回転させ、偏波合成器(PBC:Polarization Beam Combiner)にて偏波合成する。非特許文献1に示される変調器では、PBCとしてアーム導波路の幅を変化させた幅変調PBCを用いているが、非特許文献2に示すように、波長板を用いたPBS/PBCも報告されている。波長板挿入型のPBS/PBCは、導波路設計が簡便であるため有用である。以下、PBCと偏波分離回路(PBS:Polarization Beam Splitter)は同じものとして記述する。 For example, Non-Patent Document 1 shows a modulator for generating a polarization multiplexed QPSK signal. In the modulator shown in Non-Patent Document 1, two modulators that generate a QPSK signal are prepared, and a signal from one modulator is polarization-rotated using a half-wave plate, and a polarization beam combiner (PBC: Polarization synthesis is performed by Polarization Beam Combiner). In the modulator shown in Non-Patent Document 1, a width-modulated PBC in which the width of the arm waveguide is changed is used as the PBC. However, as shown in Non-Patent Document 2, a PBS / PBC using a wave plate is also reported. Has been. The wave plate insertion type PBS / PBC is useful because the waveguide design is simple. Hereinafter, PBC and a polarization beam splitter (PBS) are described as the same.
非特許文献2に示される従来構造の偏波分離回路の概略図を図5に示す。図5には、入力側方向性結合器1、2並列の第1及び第2のアーム導波路2及び3、出力側方向性結合器4を接続した偏波分離回路が示されている。第1のアーム導波路2には、ダイジング溝5が形成されており、1/2波長板6の複屈折軸が第1のアーム導波路2の複屈折軸と一致するように挿入されている。
A schematic diagram of a polarization separation circuit having a conventional structure shown in Non-Patent Document 2 is shown in FIG. FIG. 5 shows a polarization separation circuit in which input side directional couplers 1 and 2, first and
次に、図5を用いて波長板を用いたPBSの動作原理を簡単に説明する。マッハツェンダ干渉回路に入力された光信号は、入力側方向性結合器1によって等分配されて、第1及び第2のアーム導波路2及び3にそれぞれ出力される。第1及び第2のアーム導波路2及び3を伝搬する光の間の位相差が、波長板6によって、TE偏波とTM偏波間で180度ずれることとなる。結果的に、第1のアーム導波路2と第2のアーム導波路3とでは、TE偏波が逆相となり、TM偏波が同相となるため、偏波分離がなされる。
Next, the operation principle of the PBS using the wave plate will be briefly described with reference to FIG. The optical signals input to the Mach-Zehnder interference circuit are equally distributed by the input side directional coupler 1 and output to the first and
しかしながら、図5に示されるような波長板挿入型のPBSは、理想的に第1及び第2のアーム導波路2及び3の間の位相誤差がゼロである必要がある。しかしながら、導波路コアを作製する際にコア幅のばらつきやオーバークラッドの応力のむら等によってアーム導波路に位相誤差が発生し、この位相誤差はPBSとして動作させる干渉条件を崩してしまう。たとえば、TE偏波は第1及び第2のアーム導波路2及び3の間で完璧に逆相とはならずに、一部のTE偏波が願っていない別の出力ポートに混ざることとなる。その結果、偏波消光比(デシベル表記において、TE偏波とTM偏波の透過率の差分の絶対値)が劣化する。以下、偏波消光比の劣化について、図5を用いて簡単に説明する。
However, the wave plate insertion type PBS as shown in FIG. 5 should ideally have zero phase error between the first and
図5に示される第1の入力ポート9から入力された光が、第1の出力ポート7に出力されるTE偏波の電界ETE1は、以下の(式1)のように表される。 An electric field E TE1 of TE polarization from which light input from the first input port 9 shown in FIG. 5 is output to the first output port 7 is expressed as (Equation 1) below.
ここで、θは方向性結合器の結合角度、nfは波長板の速軸の屈折率、Lは波長板の厚さ、nwgは導波路の実効屈折率、Δφは位相誤差[rad]、λは使用波長である。結合角度θは理想的にはπ/4であるので、θ=π/4を(式1)に代入し、光パワー|ETE1|2を求めると、以下の(式2)のように表される。 Where θ is the coupling angle of the directional coupler, n f is the refractive index of the fast axis of the wave plate, L is the thickness of the wave plate, n wg is the effective refractive index of the waveguide, and Δφ is the phase error [rad]. , Λ is the wavelength used. Since the coupling angle θ is ideally π / 4, when θ = π / 4 is substituted into (Equation 1) and the optical power | E TE1 | 2 is obtained, the following equation (Equation 2) is obtained. Is done.
次に、第1の出力ポート7に出力されるTM偏波の電界ETM1は、以下の(式3)のように表される。ここで、nsは波長板の遅軸の屈折率である。 Next, an electric field E TM1 of TM polarization output to the first output port 7 is expressed as (Equation 3) below. Here, ns is the slow axis refractive index of the wave plate.
θ=π/4を(式2)に代入し、光パワー|ETM1|2を求めると、以下の(式4)のように表される。 Substituting θ = π / 4 into (Expression 2) to obtain the optical power | E TM1 | 2 , the following expression (Expression 4) is obtained.
同様に、第2の出力ポート8に出力されるTE偏波の光パワー|ETE2|2、第2の出力ポート8に出力されるTM偏波の光パワー|ETM2|2は、以下の(式5)、(式6)で表される。 Similarly, the TE polarized optical power | E TE2 | 2 output to the second output port 8 and the TM polarized optical power | E TM2 | 2 output to the second output port 8 are as follows: (Expression 5) and (Expression 6).
第1の出力ポート7にTE偏波、第2の出力ポート8にTM偏波が出力される必要があるため、PBSの動作条件は、以下の(式7)で表される。 Since it is necessary to output the TE polarized wave to the first output port 7 and the TM polarized wave to the second output port 8, the operating condition of the PBS is expressed by the following (formula 7).
(式2)、(式4)、(式5)、(式6)、(式7)より、PBSとして満たすべき動作条件は、以下の(式8)となる。 From (Equation 2), (Equation 4), (Equation 5), (Equation 6), and (Equation 7), the operating condition to be satisfied as PBS is (Equation 8) below.
ここで、MおよびNは回折次数であり、整数である。位相誤差をゼロ(Δφ=0)と仮定し、上記(式8)を整理すると、以下の(式9)となる。 Here, M and N are diffraction orders and are integers. Assuming that the phase error is zero (Δφ = 0) and rearranging the above (Equation 8), the following (Equation 9) is obtained.
よって、たとえば、M=1、N=1、nf=1.56、ns=1.6、nwg=1.52、および、波長板をλ/2とすることで、(式9)を満たすことができ、PBSを実現できる。 Therefore, for example, by setting M = 1, N = 1, n f = 1.56, n s = 1.6, n wg = 1.52, and the wavelength plate is λ / 2, (Equation 9) Can be satisfied and PBS can be realized.
しかしながら、位相誤差が発生した場合には、(式9)では(式8)は成立せず、不要な偏波がクロストークとなり偏波消光比を劣化させる。 However, when a phase error occurs, (Equation 9) does not hold in (Equation 9), and unnecessary polarization becomes crosstalk, which degrades the polarization extinction ratio.
上記課題を解決するため、本発明は、偏波消光比を劣化させる要因となる位相誤差を補償することを目的とする。 In order to solve the above problems, an object of the present invention is to compensate for a phase error that causes a deterioration in the polarization extinction ratio.
上記課題を解決するために、請求項1に記載の偏波分離回路は、光導波路を二分岐する分波回路と、前記分波回路の一方の分岐に接続された第1のアーム導波路と、前記分波回路の他方の分岐に接続された第2のアーム導波路と、前記第1及び第2のアーム導波路に接続された合波回路とを含むマッハツェンダ干渉回路を備えた、基板上の光導波路で構成される偏波分離回路であって、前記第1のアーム導波路は、前記第1のアーム導波路を分断するように第1の溝が設けられており、前記第2のアーム導波路は、前記第2のアーム導波路を分断するように第2の溝が設けられており、前記第1の溝には、使用波長の1/2波長の位相差を与える波長板が前記光導波路の複屈折軸と同一になるように挿入されており、前記第2の溝には、前記第1のアーム導波路を伝搬する光と前記第2のアーム導波路を伝搬する光との間の位相誤差を補償するような、光導波方向に対する長さ及び屈折率を有する光学媒質が設けられていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the polarization separation circuit according to claim 1 includes: a demultiplexing circuit that bifurcates the optical waveguide; and a first arm waveguide that is connected to one branch of the demultiplexing circuit; A Mach-Zehnder interference circuit comprising: a second arm waveguide connected to the other branch of the branching circuit; and a multiplexing circuit connected to the first and second arm waveguides. The first arm waveguide is provided with a first groove so as to divide the first arm waveguide, and the second arm waveguide includes the second groove. The arm waveguide is provided with a second groove so as to divide the second arm waveguide, and in the first groove, a wave plate that gives a phase difference of ½ wavelength of the used wavelength is provided. It is inserted so as to be the same as the birefringence axis of the optical waveguide, and the second groove has the above-mentioned An optical medium having a length and a refractive index with respect to the optical waveguide direction is provided to compensate for a phase error between the light propagating through one arm waveguide and the light propagating through the second arm waveguide. It is characterized by being.
請求項2に記載の偏波分離回路は、光導波路を二分岐する分波回路と、前記分波回路の一方の分岐に接続された第1のアーム導波路と、前記分波回路の他方の分岐に接続された第2のアーム導波路と、前記第1及び第2のアーム導波路に接続された合波回路とを含むマッハツェンダ干渉回路を備えた、基板上の光導波路で構成される偏波分離回路であって、前記第1のアーム導波路は、前記第1のアーム導波路を分断するように第1の溝が設けられており、前記第2のアーム導波路は、前記第2のアーム導波路を分断するように第2の溝が設けられており、前記第1の溝には、使用波長の1/2波長の位相差を与える波長板が前記光導波路の複屈折軸と同一になるように挿入されており、前記第2の溝には、光導波方向に対して、所定の屈折率ncomを有した光学媒質が設けられており、前記所定の屈折率ncomは、前記波長板の遅軸の屈折率をns、前記波長板の厚さをL、前記第1のアーム導波路を伝搬する光と前記第2のアーム導波路を伝搬する光との間の位相誤差をΔφ、次数をN、使用波長をλとするとき、 The polarization separation circuit according to claim 2 is a demultiplexing circuit for bifurcating an optical waveguide, a first arm waveguide connected to one branch of the demultiplexing circuit, and the other of the demultiplexing circuit A polarization composed of an optical waveguide on a substrate, comprising a Mach-Zehnder interference circuit including a second arm waveguide connected to the branch and a multiplexing circuit connected to the first and second arm waveguides. In the wave separation circuit, the first arm waveguide is provided with a first groove so as to divide the first arm waveguide, and the second arm waveguide includes the second arm waveguide. A second groove is provided so as to divide the arm waveguide, and in the first groove, a wave plate that gives a phase difference of ½ wavelength of the used wavelength is connected to the birefringence axis of the optical waveguide. It is inserted so as to be the same, and the second groove has a predetermined refraction in the optical waveguide direction. n is com optical medium having a provided, the predetermined refractive index n com is the refractive index n s of the slow axis of the wavelength plate, the thickness of the wave plate L, the first arm guide When the phase error between the light propagating through the waveguide and the light propagating through the second arm waveguide is Δφ, the order is N, and the wavelength used is λ,
によって、表されることを特徴とする。 It is characterized by being represented by.
請求項3に記載の偏波分離回路は、請求項1又は2に記載の偏波分離回路であって、前記光学媒質は、前記第2の溝に挿入されたポリイミドフィルムであるか、又は前記第2の溝に充填されたエポキシ樹脂であることを特徴とする。
The polarization separation circuit according to
請求項4に記載の偏波分離回路は、請求項1乃至3のいずれかに記載の偏波分離回路であって、前記基板は、シリコン基板であり、前記光導波路は、石英系導波路からなることを特徴とする。 A polarization separation circuit according to a fourth aspect is the polarization separation circuit according to any one of the first to third aspects, wherein the substrate is a silicon substrate, and the optical waveguide is made of a quartz-based waveguide. It is characterized by becoming.
請求項5に記載の偏波分離回路は、請求項1乃至4のいずれかに記載の偏波分離回路であって、前記分波回路及び前記合波回路は、方向性結合器であることを特徴とする。
A polarization separation circuit according to
本発明によれば、製造ばらつき等に起因する二本のアーム導波路間の位相誤差を補償できるため、高い偏波消光比を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to compensate for a phase error between the two arm waveguides caused by manufacturing variations and the like, so that a high polarization extinction ratio can be realized.
図1は、本発明に係る偏波分離回路の概略図である。図1には、入力光導波路を二分岐する入力側方向性結合器101と、並列に設けられた第1及び第2のアーム導波路102及び103と、第1及び第2のアーム導波路102及び103に接続された出力側方向性結合器104と、ダイジング溝105と、1/2波長板106と、光学媒質107と、を備えた偏波分離回路が示されている。第1のアーム導波路102は、入力側方向性結合器101の一方の分岐に接続され、第2のアーム導波路103は、入力側方向性結合器101の他方の分岐に接続されている。第1及び第2のアーム導波路102及び103は、出力側方向性結合器104で合流するように接続されている。
FIG. 1 is a schematic diagram of a polarization separation circuit according to the present invention. FIG. 1 shows an input-side
第1及び第2のアーム導波路102及び103にはダイジング溝105が形成されている。第1のアーム導波路102に形成されたダイジング溝105には1/2波長板106の複屈折軸が第1のアーム導波路102の複屈折軸と一致するように1/2波長板106が挿入されており、第2のアーム導波路103に形成されたダイジング溝105には光学媒質107が挿入されている。
A dicing
本発明では、第1のアーム導波路102だけでなく第2のアーム導波路103にも1/2波長板106と同程度の屈折率を有する位相誤差調整用の光学媒質107を配置する。それにより、入力側方向性結合器101にて光信号が等分配されて、第1のアーム導波路102における位相誤差により発生したアーム間位相差を補償している。
In the present invention, not only the
<波長板の遅軸が基板垂直方向、第1の出力ポート108にTE偏波出力の場合>
以下、図1に示す本発明に係る偏波分離回路において、第1の出力ポート108にTE偏波、第2の出力ポート109にTM偏波が出力される動作条件で、基板に垂直方向の電界(TM偏波)に対して遅軸となるように、1/2波長板106を配置した場合について説明する。
<When the slow axis of the wave plate is perpendicular to the substrate and the TE output is at the
1, in the polarization separation circuit according to the present invention shown in FIG. A case where the half-wave plate 106 is arranged so as to be on the slow axis with respect to the electric field (TM polarization) will be described.
位相誤差調整用の光学媒質107の屈折率をncomとする。従来構造の第2のアーム導波路の箇所を新たに設けた光学媒質107に置き換えることになるため、式の上では、nwgをncomに置換すればよい。PBSの動作条件である上記(式8)のnwgをncomで置換して整理すると、以下の(式10)となる。
Let n com be the refractive index of the
つまり、N−M=0として第1のアーム導波路102に設ける波長板を1/2波長板とし、その上で新たに配置する光学媒質の屈折率ncomを(式10)を満たすように設計すれば、位相誤差を補償できる。
In other words, the wavelength plate provided in the
<波長板の遅軸が基板垂直方向、第1の出力ポート108にTM偏波出力の場合>
上記では、第1の出力ポート108にTE偏波、第2の出力ポート109にTM偏波が出力される動作条件について説明している。しかし、次に述べるように、同様な考え方で、第1の出力ポート108にTM偏波、第2の出力ポート109にTE偏波が出力される場合においても有効である。
<When the slow axis of the wave plate is the vertical direction of the substrate and the TM output is output to the
In the above description, the operating conditions under which the TE polarized wave is output to the
第1の出力ポート108に出力されるTE偏波の電界ETE1は、以下の(式11)のように表される。
The TE-polarized electric field E TE1 output to the
(式11)に理想的な結合角度θ=π/4を代入し、光パワー|ETE1|2を求めると、以下の(式12)のように表される。 Substituting an ideal coupling angle θ = π / 4 into (Equation 11) to obtain the optical power | E TE1 | 2 is expressed as (Equation 12) below.
次に、第1の出力ポート108に出力されるTM偏波の電界ETM1は、以下の(式13)のように表される。
Next, an electric field E TM1 of TM polarization output to the
(式13)に理想的な結合角度θ=π/4を代入し、光パワー|ETM1|2を求めると、以下の(式14)のように表される。 Substituting the ideal coupling angle θ = π / 4 into (Equation 13) to obtain the optical power | E TM1 | 2 , it is expressed as (Equation 14) below.
PBSの動作条件は、第1の出力ポート108にTM偏波、第2の出力ポート109にTE偏波が出力されるため、以下の(式15)となる。
The operating condition of the PBS is expressed by the following (Equation 15) because TM polarization is output to the
(式12)、(式14)、(式15)より、PBSとして満たすべき動作条件は、以下の(式16)となる。 From (Equation 12), (Equation 14), and (Equation 15), the operating condition to be satisfied as PBS is (Equation 16) below.
さらに、(式16)を整理すると、以下の(式17)となる。 Further, when (Equation 16) is arranged, the following (Equation 17) is obtained.
つまり、M−N=1として、波長板として1/2波長板を用いて、光学媒質107の屈折率ncomを(式17)を満たすように設計すれば、アーム導波路間の位相誤差を補償することができる。
That is, if MN = 1 and a half-wave plate is used as the wavelength plate and the refractive index n com of the
<波長板の遅軸が基板水平方向、第1の出力ポート108にTE偏波出力の場合>
波長板の遅軸が基板水平方向であり、かつ、第1の出力ポート108にTE偏波、第2の出力ポート109にTM偏波が出力される場合においても本発明は有効であるので、図2を用いてそれらを説明する。
<When the slow axis of the wave plate is the horizontal direction of the substrate and the TE output is the
Since the present invention is effective even when the slow axis of the wave plate is the horizontal direction of the substrate, and the TE polarized wave is output to the
第1の出力ポート108に出力されるTE偏波の電界ETE1は、以下の(式18)のように表される。
The TE-polarized electric field E TE1 output to the
(式18)に理想的な結合角度θ=π/4を代入し、光パワー|ETE1|2を求めると、以下の(式19)のように表される。 Substituting an ideal coupling angle θ = π / 4 into (Equation 18) to obtain the optical power | E TE1 | 2 is expressed as (Equation 19) below.
次に、第1の出力ポート108に出力されるTM偏波の電界ETM1は、以下の(式20)のように表される。
Next, an electric field E TM1 of TM polarization output to the
(式20)に理想的な結合角度θ=π/4を代入し、光パワー|ETM1|2を求めると、以下の(式21)のように表される。 Substituting the ideal coupling angle θ = π / 4 into (Equation 20) to obtain the optical power | E TM1 | 2 , it is expressed as (Equation 21) below.
PBSの動作条件は、第1の出力ポート108にTE偏波、第2の出力ポート109にTM偏波が出力されるため、以下の(式22)となる。
The operating condition of the PBS is expressed by the following (Equation 22) because TE polarization is output to the
(式19)、(式21)、(式22)より、PBSとして満たすべき動作条件は、以下の(式23)となる。 From (Equation 19), (Equation 21), and (Equation 22), the operating condition to be satisfied as PBS is (Equation 23) below.
さらに、(式23)を整理すると、以下の(式24)となる。 Furthermore, when (Equation 23) is arranged, the following (Equation 24) is obtained.
つまり、M−N=1として、波長板として1/2波長板を用いて、光学媒質107の屈折率ncomを(式24)を満たすように設計すれば、アーム導波路間の位相誤差を補償することができる。
That is, if MN = 1 and a half-wave plate is used as the wavelength plate and the refractive index n com of the
<波長板の遅軸が基板水平方向、第1の出力ポート108にTM偏波出力の場合>
波長板の遅軸が基板水平方向であり、かつ、第1の出力ポート108にTM偏波、第2の出力ポート109にTE偏波が出力される場合においても本発明は有効であるので、それらを説明する。
<When the slow axis of the wave plate is the horizontal direction of the substrate and the TM output is output to the
Since the present invention is effective even when the slow axis of the wave plate is the horizontal direction of the substrate, and TM polarization is output to the
PBSの動作条件は、第1の出力ポート108にTM偏波、第2の出力ポート109にTE偏波が出力されるため、以下の(式25)となる。
The operating condition of the PBS is expressed by the following (Equation 25) because TM polarization is output to the
(式19)、(式21)、(式25)より、PBSとして満たすべき動作条件は、以下の(式26)となる。 From (Equation 19), (Equation 21), and (Equation 25), the operating condition to be satisfied as PBS is (Equation 26) below.
さらに、(式26)を整理すると、以下の(式27)となる。 Further, when (Equation 26) is arranged, the following (Equation 27) is obtained.
つまり、N−M=0として、波長板として1/2波長板を用いて、光学媒質107の屈折率ncomを(式27)を満たすように設計すれば、アーム導波路間の位相誤差を補償することができる。
That is, if N−M = 0, a half-wave plate is used as the wavelength plate, and the refractive index n com of the
さらに、光学媒質107の屈折率ncomの満たすべき条件は、(式10)と(式17)、もしくは、(式24)と(式27)より、以下の(式28)でまとめられる。ここでN´は整数である。
Furthermore, the conditions to be satisfied by the refractive index n com of the
(実施例1)
以下、本発明の実施例1に係るPBSについて説明する。実施例1では、図1に示されるPBSにおいて、1/2波長板106がポリイミドからなっており、光学媒質107として1/2波長板106と同種の材料からなるポリイミドフィルムが挿入されている。ただし、光学媒質107として用いられるポリイミドフィルムには、光導波路の伝搬方向に向かって複屈折性はない。
Example 1
Hereinafter, the PBS according to Example 1 of the present invention will be described. In Example 1, in the PBS shown in FIG. 1, the half-wave plate 106 is made of polyimide, and a polyimide film made of the same kind of material as the half-wave plate 106 is inserted as the
次に、本発明の実施例1に係るPBSの具体的な作製方法を示す。シリコン基板を用意し、シリコンを熱酸化させることによって石英ガラスを形成する。その後、スパッタ堆積法により五酸化タンタル(Ta2O5)添加石英系ガラスをコア層として堆積する。この時、石英ガラスに対して比屈折率差(Δ)が5%となるようにTa2O5の添加量を調整する。そして、フォトリソグラィー技術と反応性イオンエッチング技術によりコアをパターニングする。コアサイズは2.6μmとする。 Next, a specific method for producing PBS according to Example 1 of the present invention will be described. A silicon substrate is prepared, and quartz glass is formed by thermally oxidizing silicon. Thereafter, tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ) -added quartz glass is deposited as a core layer by a sputter deposition method. At this time, the amount of Ta 2 O 5 added is adjusted so that the relative refractive index difference (Δ) is 5% with respect to quartz glass. Then, the core is patterned by a photolithographic technique and a reactive ion etching technique. The core size is 2.6 μm.
最後に、化学気層成長法(Chemical Vapor Deposition:CVD)によってコアを埋め込み、埋め込み構造の石英系光導波路を作製する。波長板挿入用のダイジング溝105はダイシングソーによって、幅30μmかつ深度100μmで形成する。その後、第1のアーム導波路102に形成されたダイジング溝105にはポリイミドからなる1/2波長板106を所定の角度で挿入し、第2のアーム導波路103に形成されたダイジング溝105には光学媒質107として1/2波長板106と同程度の厚さのポリイミドフィルムを挿入し、双方のダイジング溝105に接着剤を充填し固定する。その際、光学媒質107として用いられるポリイミドフィルムは位相誤差を補償するよう選択している。
Finally, the core is embedded by chemical vapor deposition (CVD) to produce a silica-based optical waveguide having an embedded structure. The dicing
次に、本発明の実施例1に係るPBSの動作原理を説明する。実施例1では、Δφに相当する位相誤差として、+35度の位相誤差が発生しているものとする。1/2波長板106の遅軸の屈折率nsは1.6、速軸の屈折率nfは1.56とする。従って、使用光波長λを1.55μmとした場合、(式10)より1/2波長板106の膜厚Lは19.375μmとなる。一方、この時、光学媒質107として用いられるポリイミドフィルムの屈折率ncomは〜1.608とすればよい。この場合、(式10)を満たすことでき、理想的なPBSの動作条件となる。
Next, the operation principle of the PBS according to the first embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, it is assumed that a phase error of +35 degrees has occurred as a phase error corresponding to Δφ. The slow-axis refractive index n s of the half-wave plate 106 is 1.6, and the fast-axis refractive index n f is 1.56. Therefore, when the used light wavelength λ is 1.55 μm, the film thickness L of the half-wave plate 106 is 19.375 μm from (Equation 10). On the other hand, at this time, the refractive index n com of the polyimide film used as the
ポリイミドフィルムの屈折率は、理想的には上記した通りだが、実際には若干のずれが発生する。ずれによる悪影響として、たとえば、PBSに求められる特性である偏波消光比の劣化が挙げられる。図3は、PBSの第1の出力ポート108における屈折率ncomに対する偏波消光比の計算結果を示す。図3(a)に示す通り、屈折率ncomに対して周期的に次数が合う箇所で高偏波消光比が得られる。
The refractive index of the polyimide film is ideally as described above, but in reality, a slight deviation occurs. As an adverse effect due to the deviation, for example, deterioration of the polarization extinction ratio, which is a characteristic required for PBS, can be mentioned. FIG. 3 shows the calculation result of the polarization extinction ratio with respect to the refractive index n com at the
また、図3(b)は、図3(a)における屈折率ncom=1.608近傍における偏波消光比を拡大して示す。一般的には、PBSの偏波消光比としては、20dB程度が求められる。従って、屈折率の許容誤差としては、目標とする屈折率を分母とし、ずれを分子とした場合に、約±0.2%(=0.003/1.608*100)以内とすることが指針となる。従って、適当な屈折率は、前述の値に限らず、(式10)を満たす他の回折次数を持った値でもよい。 FIG. 3B shows an enlarged polarization extinction ratio in the vicinity of the refractive index n com = 1.608 in FIG. In general, the polarization extinction ratio of PBS is required to be about 20 dB. Accordingly, the allowable refractive index error is within about ± 0.2% (= 0.003 / 1.608 * 100) when the target refractive index is the denominator and the deviation is the numerator. Guidance. Therefore, the appropriate refractive index is not limited to the above-described value, and may be a value having another diffraction order satisfying (Equation 10).
本発明においては、位相誤差を補償することに主眼を置いている。しかしながら、位相誤差がない場合(Δφ=0)においても、(式10)を満たすことによってPBSは動作する。位相誤差がない場合の従来構造と比較したときの本発明のメリットを以下に列記する。 The present invention focuses on compensating for phase errors. However, even when there is no phase error (Δφ = 0), the PBS operates by satisfying (Equation 10). The merits of the present invention when compared with the conventional structure when there is no phase error are listed below.
・双方のアーム導波路に同様に溝を設けており、溝のよる過剰損失が同程度発生する。その結果、損失のアンバランスが避けられ、後段の結合器で干渉する際に理想的な状態で消光することとなり偏波消光比の劣化が少ない。 -Grooves are provided in both arm waveguides in the same manner, and excessive losses due to the grooves are generated to the same extent. As a result, loss imbalance is avoided, and the light is extinguished in an ideal state when interference is caused by the subsequent coupler, and the polarization extinction ratio is less deteriorated.
・従来構造のPBSで用いられる式(9)では、導波路の実効屈折率ncore、波長板の屈折率nf、nsを決めてしまうと次数M、Nしか自由度がなく、導波路と波長板の組み合わせが制約される。一方、本発明によれば、(式10)に示す通り、追加の光学媒質の屈折率ncomは適切に設定することにより、導波路と波長板の組み合わせは自由に選択できる。 In the formula (9) used in the PBS having the conventional structure, if the effective refractive index n core of the waveguide and the refractive indexes n f and n s of the wave plate are determined, only the orders M and N have degrees of freedom. And the combination of wave plates are restricted. On the other hand, according to the present invention, as shown in (Equation 10), the combination of the waveguide and the wave plate can be freely selected by appropriately setting the refractive index n com of the additional optical medium.
・従来構造では、一方のアーム導波路にのみポリイミドが挿入されているため、一方のアーム導波路で光がポリイミドを伝搬している箇所で、他方のアーム導波路では光が石英ガラスコアを伝搬する。一方、ポリイミドと石英ガラスでは異なる屈折率の温度依存性をもつため、二本のアーム導波路間で光路長差の温度依存性が発生する。しかしながら、本発明では、追加の光学媒質として同種の材料、もしくは、温度依存性が同程度のものを選択することができるため、温度無依存化が可能となる。 In the conventional structure, polyimide is inserted only in one arm waveguide, so light propagates through the quartz glass core in the other arm waveguide where light propagates through the polyimide in one arm waveguide. To do. On the other hand, since polyimide and quartz glass have different temperature dependences of the refractive index, the temperature dependence of the optical path length difference occurs between the two arm waveguides. However, in the present invention, it is possible to select the same kind of material as the additional optical medium, or a material having the same temperature dependency, so that the temperature can be made independent.
(実施例2)
図4は、本発明の実施例2に係るPBSの概略構成を示す。図4には、入力側方向性結合器401と、並列に設けられた第1及び第2のアーム導波路402及び403と、出力側方向性結合器404と、第1及び第2の溝405及び407と、1/2波長板406と、エポキシ樹脂408と、を備えた偏波分離回路が示されている。第1及び第2のアーム導波路402及び403は、入力側方向性結合器401の2つの出力ポートと出力側方向性結合器404の2つの入力ポートとの間にそれぞれ接続されている。ドライエッチングにより、第1のアーム導波路402には第1の溝405が形成され、第2のアーム導波路403には第2の溝407が形成されている。第1のアーム導波路402に形成された第1の溝405には遅軸が基板と垂直になるように1/2波長板406が挿入されており、第2のアーム導波路403に形成された第2の溝407には屈折率調整のためのエポキシ樹脂408が充填されている。ただし、エポキシ樹脂408には、光導波路の伝搬方向に向かって複屈折性はない。
(Example 2)
FIG. 4 shows a schematic configuration of the PBS according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 4, the input-side
次に、実施例2に係るPBSの具体的な作製方法を示す。大部分は実施例1に係るPBSの製造方法と同様であるため、違いのみ示す。実施例2では、各アーム導波路を分断する第1及び第2の溝405及び407は、レジストを塗布しパターン化後、SiO2エッチングとSiエッチングをエッチング条件を変えて行うことにより、幅30μmかつ深度100μmの溝を形成した。その後、第1の溝405には1/2波長板406を挿入し、接着剤を充填し固定する。また、第2の溝407にはエポキシ樹脂408を充填し固化している。
Next, a specific method for producing PBS according to Example 2 will be described. Since most of them are the same as the method for manufacturing PBS according to Example 1, only the differences are shown. In the second embodiment, the first and
次に、本発明の実施例2に係るPBSの動作原理を説明する。本実施例2は、実施例1と同様な特徴を有し、両者の違いは、実施例1では、(式10)を満たす屈折率ncomの光学媒質としてポリイミドフィルムを選択したが、本実施例2ではエポキシ樹脂を選択したという点である。 Next, the operation principle of the PBS according to the second embodiment of the present invention will be described. Example 2 has the same characteristics as Example 1. The difference between the two is that, in Example 1, a polyimide film was selected as an optical medium having a refractive index n com satisfying (Equation 10). In Example 2, an epoxy resin was selected.
実施例1では、フィルム形状という制約条件があるため、屈折率の調整範囲は限られてしまう。一方、本実施例2のように第2の溝407をエポキシ樹脂408で充填する形態とすることによって、フィルム形状という制約条件がないため、その場でエポキシ樹脂を調合して屈折率を調整することができる。したがって、実施例1と比べて、より簡便、かつ、精密な屈折率の調整が可能となり、PBSの特性を理想的な状態に近づけることができるというメリットがある。
In Example 1, since there is a constraint condition of a film shape, the adjustment range of the refractive index is limited. On the other hand, since the
上記実施例1及び2においては、熱酸化膜基板上にスパッタ堆積法によりコアを堆積し、CVD法によりオーバークラッドを堆積した。しかしながら、製法の組み合わせはこれに限らず、火炎堆積法といった他のガラス堆積方法を含め、石英ガラスが堆積可能な他の製法と様々組み合わせて作製したとしても同様な効果が得られることを明白である。 In the above Examples 1 and 2, the core was deposited on the thermal oxide film substrate by the sputter deposition method, and the over clad was deposited by the CVD method. However, the combination of the manufacturing methods is not limited to this, and it is clear that the same effect can be obtained even if manufactured in various combinations with other manufacturing methods capable of depositing quartz glass, including other glass deposition methods such as flame deposition. is there.
また、上記実施例1及び2においては、いずれも導波路・クラッドともに石英ガラスとしたが、この組み合わせに限らず、たとえば、導波路を石英系ガラス、シリコン、化合物半導体、ポリマーのいずれかとし、クラッドを石英系ガラス、化合物半導体、ポリマーのいずれかとした場合であっても、閉じ込め効果を有する光導波路を形成できれば、同様な効果が得られることは明白である。 In Examples 1 and 2, both the waveguide and the clad are made of quartz glass. However, the present invention is not limited to this combination. For example, the waveguide is made of quartz glass, silicon, a compound semiconductor, or a polymer. Even when the clad is made of quartz glass, compound semiconductor, or polymer, it is obvious that the same effect can be obtained if an optical waveguide having a confinement effect can be formed.
また、上記実施例1及び2においては、分波回路及び合波回路はともに方向性結合器を用いた。しかしながら、例えば、2×2多モード干渉導波路(MMI)といった他の2×2分波回路を用いても同様な効果は得られる。また、分波回路としてY分岐回路といった同相で分岐する1×2回路を用いたとしても、若干の導波路の設計変更で同様な効果を得てPBSを実現できる。 In the first and second embodiments, the branching circuit and the multiplexing circuit both use directional couplers. However, the same effect can be obtained by using another 2 × 2 branching circuit such as a 2 × 2 multimode interference waveguide (MMI). Even if a 1 × 2 circuit that branches in phase, such as a Y-branch circuit, is used as a branching circuit, the PBS can be realized with the same effect by slightly changing the design of the waveguide.
より詳細に説明する。方向性結合器といった2×2分波回路では、分波された光信号は90度の位相差をもつ。一方、Y分岐回路では同相で分波する。そこで、2×2分波回路と同様な位相変化が得られるように、一方のアーム導波路を長くしていくことで、Y分岐回路でも同様な効果を得てPBSを実現できる。 This will be described in more detail. In a 2 × 2 demultiplexing circuit such as a directional coupler, the demultiplexed optical signal has a phase difference of 90 degrees. On the other hand, in the Y branch circuit, the signals are demultiplexed in the same phase. Therefore, by extending the length of one of the arm waveguides so that the same phase change as that of the 2 × 2 branching circuit can be obtained, the same effect can be obtained in the Y branch circuit and the PBS can be realized.
上記実施例1及び2においては、屈折率調整のために導入する光学媒質の屈折率ncomを調整することに主眼を置いた。しかしながら、光路長は屈折率と長さとの積であるため、光学媒質の長さ(実施例1ではポリイミドフィルムの膜厚、実施例2では溝幅)を調整して、第1及び第2のアーム導波路における光学媒質がそれぞれ設けられた溝部分の光導波方向に対する光路長を等しくすることによっても同様な効果が得られる。 In the first and second embodiments, the main purpose is to adjust the refractive index n com of the optical medium introduced for adjusting the refractive index. However, since the optical path length is the product of the refractive index and the length, the length of the optical medium (the film thickness of the polyimide film in Example 1 and the groove width in Example 2) is adjusted to adjust the first and second A similar effect can be obtained by equalizing the optical path lengths in the optical waveguide direction of the groove portions provided with the optical media in the arm waveguides.
本実施例2において、溝405と溝407は別々の溝としている。しかしながら、波長板406に用いる接着剤の屈折率が求められる屈折率ncomと同等であれば、溝405と溝407とがつながった同じ溝とし、エポキシ樹脂408の代用として、接着剤を第2のアーム導波路における光学媒質として用いても問題はない。
In the second embodiment, the
入力側方向性結合器 1、101、401
アーム導波路 2、3、102、103、402、403
出力側方向性結合器 4、104、404
ダイジング溝 5、105
1/2波長板 6、106、406
光学媒質 107
溝 405、407
エポキシ樹脂 408
Input side
Output side
1/2
Claims (5)
前記分波回路の一方の分岐に接続された第1のアーム導波路と、
前記分波回路の他方の分岐に接続された第2のアーム導波路と、
前記第1及び第2のアーム導波路に接続された合波回路と
を含むマッハツェンダ干渉回路を備えた、基板上の光導波路で構成される偏波分離回路であって、
前記第1のアーム導波路は、前記第1のアーム導波路を分断するように第1の溝が設けられており、
前記第2のアーム導波路は、前記第2のアーム導波路を分断するように第2の溝が設けられており、
前記第1の溝には、使用波長の1/2波長の位相差を与える波長板が前記光導波路の複屈折軸と同一になるように挿入されており、
前記第2の溝には、前記第1のアーム導波路を伝搬する光と前記第2のアーム導波路を伝搬する光との間の位相誤差を補償するような、光導波方向に対する長さ及び屈折率を有する光学媒質が設けられていることを特徴とする偏波分離回路。 A branching circuit for bifurcating the optical waveguide;
A first arm waveguide connected to one branch of the branching circuit;
A second arm waveguide connected to the other branch of the branching circuit;
A polarization separation circuit comprising an optical waveguide on a substrate, comprising: a Mach-Zehnder interference circuit including a multiplexing circuit connected to the first and second arm waveguides;
The first arm waveguide is provided with a first groove so as to divide the first arm waveguide,
The second arm waveguide is provided with a second groove so as to divide the second arm waveguide,
In the first groove, a wave plate that gives a phase difference of ½ wavelength of the used wavelength is inserted so as to be the same as the birefringence axis of the optical waveguide,
The second groove has a length with respect to the optical waveguide direction so as to compensate for a phase error between light propagating through the first arm waveguide and light propagating through the second arm waveguide. A polarization separation circuit comprising an optical medium having a refractive index.
前記分波回路の一方の分岐に接続された第1のアーム導波路と、
前記分波回路の他方の分岐に接続された第2のアーム導波路と、
前記第1及び第2のアーム導波路に接続された合波回路と
を含むマッハツェンダ干渉回路を備えた、基板上の光導波路で構成される偏波分離回路であって、
前記第1のアーム導波路は、前記第1のアーム導波路を分断するように第1の溝が設けられており、
前記第2のアーム導波路は、前記第2のアーム導波路を分断するように第2の溝が設けられており、
前記第1の溝には、使用波長の1/2波長の位相差を与える波長板が前記光導波路の複屈折軸と同一になるように挿入されており、
前記第2の溝には、光導波方向に対して、所定の屈折率ncomを有した光学媒質が設けられており、
前記所定の屈折率ncomは、前記波長板の遅軸の屈折率をns、前記波長板の厚さをL、前記第1のアーム導波路を伝搬する光と前記第2のアーム導波路を伝搬する光との間の位相誤差をΔφ、次数をN、使用波長をλとするとき、
A first arm waveguide connected to one branch of the branching circuit;
A second arm waveguide connected to the other branch of the branching circuit;
A polarization separation circuit comprising an optical waveguide on a substrate, comprising: a Mach-Zehnder interference circuit including a multiplexing circuit connected to the first and second arm waveguides;
The first arm waveguide is provided with a first groove so as to divide the first arm waveguide,
The second arm waveguide is provided with a second groove so as to divide the second arm waveguide,
In the first groove, a wave plate that gives a phase difference of ½ wavelength of the used wavelength is inserted so as to be the same as the birefringence axis of the optical waveguide,
The second groove is provided with an optical medium having a predetermined refractive index n com in the optical waveguide direction,
The predetermined refractive index n com is the refractive index of the slow axis of the wave plate as n s , the thickness of the wave plate as L, the light propagating through the first arm waveguide, and the second arm waveguide. When the phase error between the light propagating through the light is Δφ, the order is N, and the wavelength used is λ,
前記光導波路は、石英系導波路からなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の偏波分離回路。 The substrate is a silicon substrate;
4. The polarization separation circuit according to claim 1, wherein the optical waveguide is made of a silica-based waveguide.
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