JP2016004238A - 基板型光導波路素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の導波路6及び第2の導波路7は、第1のリブ部9及び第2のリブ部10の幅W1,W2がそれぞれの長さ方向において一定となり、且つ、第1のリブ部9と第2のリブ部10との間の間隔Dが第1のリブ部9及び第2のリブ部10の長さ方向において一定となる直線状の導波路を形成している。第3の導波路8は、第3のリブ部11の幅方向の中心Oと第1のリブ部9と第2のリブ部10との間の幅方向の中心O’とが一致し、且つ、第1のリブ部9の幅W1と、第2のリブ部10の幅W2と、第1のリブ部9と第2のリブ部10との間の間隔Dとの合計よりも第3のリブ部11の幅W3が大きい直線状の導波路を形成している。
【選択図】図1
Description
なお、以下の全ての図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
<基板型光導波路素子>
先ず、本発明の第1の実施形態として、例えば図1(A),(B)に示す基板型光導波路素子1について説明する。なお、図1(A)は、基板型光導波路素子1を示す平面図であり、図1(B)は、図1(A)中に示す線分Z1−Z1による基板型光導波路素子1の断面図である。図1(C)は、図1(A)中に示す線分Z2−Z2による基板型光導波路素子1の断面図である。
次に、Y分岐導波路を用いた合成導波路による光の合波の原理について説明する。
なお、以下の説明では、上記基板型光導波路素子1と同等の部位については、必要に応じて図面等において同じ符号を付すものとする。また、一方の入力導波路32を「入力導波路1」、他方の入力導波路33を「入力導波路2」と呼ぶ。
Ex入力部:入力導波路におけるTEモードのEx成分
Ex出力部:出力導波路におけるTEモードのEx成分
K:その他定数
次に、以上のような内容を踏まえて、本発明による効果について説明する。
本発明では、隣接する2つ入力導波路の間にリブ部と同じ材料で、リブ部よりも厚みが小さい(高さが低い)スラブ部を設けることにより、2つの入力導波路が半リブ導波路により形成されている。この場合、隣接する入力導波路への光の浸み出しを増加させ、入力導波路の幅と間隔を変えることなく、結合係数を高めることが可能である。これにより、入力導波路の偶モードから出力導波路のTE0モードへの変換効率を高めることができる。
[効果1]
本発明による効果1としては、波長依存性が小さいことが挙げられる。一般に、波長が変化すると、光の閉じ込めの程度が変化し、結合係数が変化する。例えば、波長が長くなると、コアからの光の浸み出しが増加し、結合係数が増加する。逆に、波長が短くなると、コアからの光の浸み出しが減少し、結合係数が減少する。このため、波長によって変換効率が変化する。一方、波長分割多重(WDM:Wavelength Division Multiplex)通信を想定した場合、そこで用いられる機能素子は、波長に対する変換効率の依存性が小さい方がよい。
本発明による効果2としては、製造誤差に強いことが挙げられる。Y分岐導波路を実際に作製した場合、設計段階の値に対して、リブ部の幅が変化したり、リブ部の高さが変化したり、リブ部の断面形状が少し傾きを持った台形状になったりする。このような場合、導波路の形状変化に伴って光の閉じ込めの程度が変化し、結合係数が変化する。このような変化に対して、変換効率が低下することは好ましくない。
本発明による効果3としては、奇モードからTE1モードへの変換効率が高いことが挙げられる。本発明の半リブ導波路を用いたY分岐導波路では、従来の矩形導波路を用いたY分岐導波路に比べて、高い結合係数を有することから、入力導波路の偶モードから出力導波路のTE0モードへの変換効率だけでなく、入力導波路の奇モードから出力導波路のTE1モードへの変換効率も高めることができる。この場合、後述するTE1モードの発生を利用したデバイスやシステムへの利用を図ることによって、低損失な合波(変換)が可能となる。
本発明による効果4としては、他のリブ導波路の作製プロセスが流用可能なことが挙げられる。本発明の半リブ導波路を用いたY分岐導波路では、上述したSOIウェハの最上層にあるSi層を2段階でエッチングすることで作製可能なため、従来の矩形導波路を用いたY分岐導波路に比べて、製造プロセスが増加することになる。しかしながら、スラブ部の高さに制限がないことから、外部の導波路として、例えばリブ部の幅方向の両側にスラブ部が設けられた導波路(いわゆるリブ導波路)などがある場合、これらを一括して作製できるため、実質的に製造プロセスの増加にはつながらない。
本発明による効果5としては、デバイス長が短いことが挙げられる。本発明のように、2つの入力導波路の間隔を一定にしたまま、出力導波路に不連続に接続するY分岐導波路の場合、従来の一般的なY分岐導波路のように、2つの入力導波路から1つの出力導波路へと連続的に変化させるのに十分な長さを確保する必要がないため、デバイス長を短くすることができる。
本発明による効果6としては、低損失な合波が可能なことが挙げられる。Y分岐導波路を実際に作製した場合、導波路の側壁の荒れの影響で光が散乱し、損失が生じるという問題がある。特に、デバイスのサイズが小さいシリコン細線導波路において顕著である。これに対して、本発明の半リブ導波路を用いたY分岐導波路では、従来の矩形導波路を用いたY分岐導波路に比べて、導波路の側壁が少ない。このため、従来よりも側壁荒れによる損失が小さく、低損失な合波が可能である。
本発明による効果7としては、TM0モードによる合波が可能なことが挙げられる。この場合、2つの入力導波路のTM0モードによる偶モード又は奇モードから出力導波路のTM0モード又はTM1モードへの変換効率を計算することで、所望の損失を持つTM0モードによる合波が可能となる。
<基板型光導波路素子>
次に、本発明の第2の実施形態として図15(A),(B),(C)に示す基板型光導波路素子101Aについて説明する。なお、図15(A)は、基板型光導波路素子101Aを示す平面図であり、図15(B)は、図15(A)中に示す線分Z1−Z1による基板型光導波路素子101Aの断面図である。図15(C)は、図15(A)中に示す線分Z2−Z2による基板型光導波路素子101Aの断面図である。また、以下の説明では、上記図1(A),(B),(C)に示す基板型光導波路素子1と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
<基板型光導波路素子>
次に、本発明の第3の実施形態として図16(A),(B)に示す基板型光導波路素子101Bについて説明する。なお、図16(A)は、基板型光導波路素子101Bを示す平面図であり、図16(B)は、基板型光導波路素子101Bが備えるテーパ導波路102を示す平面図である。また、以下の説明では、上記図1(A),(B),(C)に示す基板型光導波路素子1と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
<基板型光導波路素子>
次に、第4の実施形態として、図17(A),(B),(C)に示す基板型光導波路素子101Cについて説明する。なお、図17(A)は、基板型光導波路素子101Cを示す平面図であり、図17(B)は、図17(A)中に示す線分Z1−Z1による基板型光導波路素子101Cの断面図である。図17(C)は、図17(A)中に示す線分Z2−Z2による基板型光導波路素子101Cの断面図である。また、以下の説明では、上記図1(A),(B),(C)に示す基板型光導波路素子1と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
<基板型光導波路素子>
次に、第5の実施形態として、図18(A),(B),(C)に示す基板型光導波路素子101Dについて説明する。なお、図18(A)は、基板型光導波路素子101Dを示す平面図であり、図18(B)は、図18(A)中に示す線分Z1−Z1による基板型光導波路素子101Dの断面図である。図18(C)は、図18(A)中に示す線分Z2−Z2による基板型光導波路素子101Dの断面図である。また、以下の説明では、上記図1(A),(B),(C)に示す基板型光導波路素子1と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
次に、第6の実施形態として、図19(A)に示すマッハツェンダ型光変調器(MZM:Mach-Zehnder Modulator)50A及びそのモニター構造と、図19(B)に示すマッハツェンダ型光変調器50B及びそのモニター構造とについて説明する。なお、図19(A)は、マッハツェンダ型光変調器50A及びそのモニター構造を示す模式図である。図19(B)は、マッハツェンダ型光変調器50B及びそのモニター構造を示す模式図である。
次に、第7の実施形態として、図20(A)に示すマッハツェンダ型光変調器70A及びそのモニター構造と、図20(B)に示すマッハツェンダ型光変調器70B及びそのモニター構造とについて説明する。なお、図20(A)は、マッハツェンダ型光変調器70A及びそのモニター構造を示す模式図である。図20(B)は、マッハツェンダ型光変調器70B及びそのモニター構造を示す模式図である。また、以下の説明では、上記図20(A),(B)に示すマッハツェンダ型光変調器50A,50Bと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
次に、第8の実施形態として、図21(A)に示すマッハツェンダ型出力偏波変換素子80Aと、図21(B)に示すマッハツェンダ型出力偏波変換素子80Bとについて説明する。なお、図21(A)は、マッハツェンダ型出力偏波変換素子80Aを示す模式図である。図21(B)は、マッハツェンダ型出力偏波変換素子80Bを示す模式図である。
なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、上記Y分岐導波路3を光の合波を行う合波導波路として用いる場合に限らず、上記Y分岐導波路3を光の分波を行う分波導波路として用いることも可能である。すなわち、上記Y分岐導波路3では、第3の導波路8、第4の導波路17及び直線導波路18から1つの入力導波路を構成し、第1の導波路6及び第1の曲げ導波路15と、第1の導波路6及び第1の曲げ導波路15とから2つの出力導波路を構成してもよい。上記Y分岐導波路3では、分波導波路として用いた場合でも、低損失な分波が可能である。
実施例1は、上記実施形態1の基板型光導波路素子1に対応した実施例であり、このY分岐導波路3における各部の寸法は、図22(A),(B),(C)に示すとおりである。なお、図22(A)は、その各部の寸法を示す平面図である。図22(B)は、その各部の寸法を示す図22(A)中の線分Z3−Z3による入力導波路32,33の断面図である。図22(C)は、その各部の寸法を示す図22(A)中の線分Z4−Z4による出力導波路34の断面図である。
以上のように、実施例1の結果から、低損失な合波が可能であることが明らかとなった。
比較例1は、上記非特許文献1に記載の矩形導波路を用いたY分岐導波路に対応した比較例であり、このY分岐導波路における各部の寸法は、図29(A),(B),(C)に示すとおりである。なお、図29(A)は、その各部の寸法を示す平面図である。図29(B)は、その各部の寸法を示す図29(A)中の線分Z3’−Z3’による入力導波路の断面図である。図29(C)は、その各部の寸法を示す図29(A)中の線分Z4’−Z4’による出力導波路の断面図である。すなわち、比較例1におけるY分岐導波路の各部の寸法は、実施例1におけるY分岐導波路の各部の寸法と同じである。また、過剰損失の計算は、突合せ結合部31のものを用いている。
したがって、実施例1のY分岐導波路では、比較例1のY分岐導波路よりも優れていることが明らかとなった。
実施例2は、上記第2の実施形態の基板型光導波路素子101に対応した実施例であり、このY分岐導波路における各部の寸法は、図33(A),(B),(C)に示すとおりである。なお、図33(A)は、その各部の寸法を示す平面図である。図33(B)は、その各部の寸法を示す図33(A)中の線分Z5−Z5による断面図である。図33(C)は、その各部の寸法を示す図33(A)中の線分Z6−Z6による断面図である。すなわち、実施例2におけるY分岐導波路の各部の寸法は、実施例1におけるY分岐導波路の各部の寸法と同じである。また、過剰損失の計算は、突合せ結合部31のものを用いている。
50A,50B,70A,70B…マッハツェンダ型光変調器 51…入力部 51A…第1の入力部 51B…第2の入力部 52…分波部 52A…第1の分波部 52B…第2の分波部 53,54…位相変調部 55…合波部 55A…第1の合波部 55B…第2の合波部 56…出力部 56A…第1の出力部 56B…第2の出力部 57…高次モードスプリッタ 58…光検出器 59…第1の光変調部 60…第2の光変調部 61…位相調整部 71…高次偏波変換部 72…偏波ビームスプリッタ
80A,80B…マッハツェンダ型出力偏波変換素子 81…入力部 82…分波部 83…合波部 84…出力部 85…マッハツェンダ干渉計 86…高次偏波変換部 87…位相調整部 88,89…位相変調部 90…光変調部
Claims (14)
- 基板の上に、コアと、前記コアを覆うと共に前記コアよりも屈折率が小さいクラッドと、を備える基板型光導波路素子であって、
互いに平行に並列した第1の導波路及び第2の導波路と、前記第1の導波路及び前記第2の導波路の一端に他端が接続された第3の導波路とを有する分岐導波路構造を備え、
前記コアは、前記第1の導波路を形成する断面矩形状の第1のリブ部と、前記第2の導波路を形成する断面矩形状の第2のリブ部と、前記第3の導波路を形成する断面矩形状の第3のリブ部と、前記第1のリブ部、前記第2のリブ部及び前記第3のリブ部よりも低い高さで、前記第1のリブ部と前記第2のリブ部と前記第3のリブ部との間で共有されるスラブ部と、を有し、
前記第1の導波路及び前記第2の導波路は、前記第1のリブ部及び前記第2のリブ部の幅がそれぞれの長さ方向において一定となり、且つ、前記第1のリブ部と前記第2のリブ部との間の間隔が前記第1のリブ部及び前記第2のリブ部の長さ方向において一定となる直線状の導波路を形成し、
前記第3の導波路は、前記第3のリブ部の幅方向の中心と前記第1のリブ部と前記第2のリブ部との間の幅方向の中心とが一致し、且つ、前記第1のリブ部の幅と、前記第2のリブ部の幅と、前記第1のリブ部と前記第2のリブ部との間の間隔との合計よりも前記第3のリブ部の幅が大きい直線状の導波路を形成していることを特徴とする基板型光導波路素子。 - 前記スラブ部は、前記第1のリブ部及び前記第2のリブ部の幅方向の両側にそれぞれ連続して設けられていることを特徴とする請求項1に記載の基板型光導波路素子。
- 前記スラブ部は、前記第3のリブ部の幅方向の両側にそれぞれ連続して設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の基板型光導波路素子。
- 前記第1の導波路と前記第2の導波路との何れか一方又は両方の他端に一端が接続された曲げ導波路を有し、
前記曲げ導波路は、前記第1のリブ部と前記第2のリブ部との何れか一方又は両方を面内で曲げることによって、その他端側から一端側に向かって前記第1のリブ部と前記第2のリブ部との間の間隔が連続的に小さくなる形状を有することを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。 - 前記曲げ導波路の他端に一端が接続されたテーパ導波路を有し、
前記テーパ導波路は、前記第1のリブ部の幅方向の片側又は両側に連続して設けられた第1のスラブ部と、前記第2のリブ部の幅方向の片側又は両側に連続して設けられた第2のスラブ部とを有し、
前記第1のスラブ部と前記第2のスラブ部とは、前記スラブ部に連続して設けられ、且つ、それぞれの幅が前記スラブ部に向かって連続的に大きくなる形状を有することを特徴とする請求項4に記載の基板型光導波路素子。 - 前記第3の導波路の一端に他端が接続された第4の導波路を有し、
前記コアは、前記第4の導波路を形成する断面矩形状の第3のリブ部を有し、
前記第4の導波路は、前記第3の導波路に接続される側とは反対側に向かって前記第3のリブ部の幅が徐々に小さくなるテーパ状の導波路を形成していることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。 - 前記コアがSiを含み、前記クラッドがSiO2を含むことを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
- 光が入力される入力部と、
前記入力部から入力された光を分波する分波部と、
前記分波部で分波された光を位相変調する少なくも1つ以上の位相変調部と、
前記位相変調部で位相変調された光を合波する合波部と、
前記合波部で合波された光を出力する出力部と、を備え、
前記合波部に、請求項1〜7の何れか一項に記載の基板型光導波路素子を用いることを特徴とする光変調器。 - 光が入力される第1の入力部と、前記第1の入力部から入力された光を分波する第1の分波部と、前記第1の分波部で分波された光を位相変調する少なくとも1つ以上の位相変調部と、前記位相変調部で位相変調された光を合波する第1の合波部と、前記第1の合波部で合波された光を出力する第1の出力部と、をそれぞれ有する第1の光変調部及び第2の光変調部と、
前記第1の光変調部及び前記第2の光変調部の前段に位置して、光が入力される第2の入力部と、前記第2の入力部から入力された光を前記第1の光変調部の第1の入力部側と前記第2の光変調部の第1の入力部側とに分波する第2の分波部と、
前記第1の光変調部及び前記第2の光変調部の後段に位置して、前記第1の光変調部の第1の出力部から出力された光と、前記第2の光変調部の第1の出力部から出力された光とを合波する第2の合波部と、前記第2の合波部で合波された光を出力する第2の出力部と、を備え、
前記第1の合波部と前記第2の合波部との何れに、請求項1〜7の何れか一項に記載の基板型光導波路素子を用いることを特徴とする光変調器。 - 前記第1の光変調部と前記第2の光変調部との何れか一方の前記第1の合波部から出力された光の位相差を調整する位相調整部を備えることを特徴とする請求項9に記載の光変調器。
- 請求項8〜10の何れか一項に記載の光変調器において、電場が前記基板の面内方向となるTEモードの中で、実効屈折率が1番大きいモードを表すTE0モードの光と、実効屈折率が2番目に高いモードをTE1モードの光とが、前記出力部から同時に出力されるとき、前記TE1モードの光を分離して検出する光変調器のモニター構造であって、
前記出力部の後段に位置して、前記TE1モードの光を分離する高次モードスプリッタと、
前記高次モードスプリッタで分離された前記TE1モードの光を検出する光検出器とを備えることを特徴とする光変調器のモニター構造。 - 請求項8〜10の何れか一項に記載の光変調器において、電場が前記基板の面内方向となるTEモードの中で、実効屈折率が1番大きいモードを表すTE0モードの光と、実効屈折率が2番目に高いモードをTE1モードの光とが、前記出力部から同時に出力されるとき、前記TE1モードの光を、電場が前記基板の垂直方向となるTMモードの中で実効屈折率が1番大きいモードを表すTE0モードの光に変換した後、前記TE0モードの光を分離して検出する光変調器のモニター構造であって、
前記TE1モードの光を前記TE0モードの光に変換する高次偏波変換部と、
前記TE0モードの光を分離する偏波ビームスプリッタと、
前記偏波ビームスプリッタで分離された前記TE0モードの光を検出する光検出器とを備えることを特徴とする光変調器のモニター構造。 - 光が入力される入力部と、前記入力部から入力された光を分波する分波部と、前記分波部で分波された光を合波する合波部と、前記合波部で合波された光を出力する出力部と、を有するマッハツェンダ干渉計と、
電場が前記基板の面内方向となるTEモードの中で実効屈折率が2番目に高いモードをTE1モードの光を、電場が前記基板の面内方向となるTEモードの中で実効屈折率が1番大きいモードを表すTE0モードの光に変換する高次偏波変換部と、
前記分波部で分波された光のうち何れか一方の光の位相差を調整する位相調整部と、を備え、
前記合波部に、請求項1〜7の何れか一項に記載の基板型光導波路素子を用いることを特徴とする出力偏波変換素子。 - 前記分波部で分波された光を位相変調する2つの位相変調部を備えることを特徴とする請求項13に記載の出力偏波変換素子。
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