JP2016080997A - 光導波路素子、光導波路デバイス、および光導波路の配置方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の光導波路を備えた光導波路素子においては、小型化、高集積化を図っても、各光導波路を伝搬する光の可干渉性が低下しない光導波路素子、光導波路デバイス、および光導波路の配置方法を提供する。【解決手段】光導波路素子１００は、複数の第１の要素導波路１１１を組み合わせて構成される第１の光導波路１１０と、複数の第１の要素導波路１１１とそれぞれ同一の構造である複数の第２の要素導波路１２１を組み合わせて構成される第２の光導波路１２０、とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路素子、光導波路デバイス、および光導波路の配置方法に関し、特に、複数の光導波路を備えた光導波路素子、光導波路デバイス、および光導波路の配置方法に関する。

光ファイバ通信技術の大容量化・長距離化は、高速な強度変調技術と波長多重化技術によって大きく進展してきた。近年はこれに加えて、デジタル信号処理技術の向上により、偏光多重技術および多値位相変調技術の利用が可能になっている。これにより、既設の光ファイバ網を活用して伝送容量を飛躍的に増加させることが可能である。

多値位相変調技術においては、位相変調光信号を強度変調光信号に変換する光ハイブリッドミキサと呼ばれる素子が受信器に必要となる。光ハイブリッドミキサは、光ファイバを伝搬してきた信号光と、変調されていない一定の振幅・位相を有する局部発振光（局発光）を干渉させることにより、位相変調された信号光の位相変化を強度変調光信号に変換する。このような光ハイブリッドミキサを実現するために、光学特性に優れた光導波路が必要となる。

一方、より大量の信号を、より遠方へ、より安価に伝送するため、光ハイブリッドミキサには、小型化およびコストの低減が強く求められている。シリコン光導波路は光導波路への光の閉じ込めが強いので、これまで主として用いられてきたガラス系光導波路に比べて飛躍的な小型化が可能となる。そのため、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）製造に用いられているＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）プロセス技術を活用して、シリコン光導波路を実現するための多くの技術開発が行われている（例えば、特許文献１参照）。

シリコン光導波路は、主にシリカガラスから形成されるガラス導波路に比べて、屈折率が大きいシリコン材料から形成されるため、伝搬モードサイズが非常に小さい。そのため、コア形状の変化によって伝搬モードが敏感に変化してしまう。したがって、ガラス加工技術によって光導波路を形成する場合に比べ、飛躍的に高度な加工精度が必要となる。例えば、ガラス導波路ではコア幅を±０．１マイクロメートル（μｍ）の精度で制御するのに対して、シリコン導波路ではコア幅を±数ナノメートル（ｎｍ）の精度で制御する必要がある。

ＣＭＯＳプロセス技術は、このような高い加工精度を実現することが可能な技術として光導波路技術への応用が期待されている。

電子デバイスにおいては、ＭＯＳトランジスタのゲート電極など局所的なパターン幅を制御することが求められる。それに対して光導波路においては、安定した位相制御のために数１０マイクロメートル（μｍ）から数１００マイクロメートル（μｍ）、場合によってはミリメートルオーダーの連続した長さにおける安定したパターン制御が必要である。また、電子デバイスに対しては影響がなかったような問題が発生し得る。このように、ＣＭＯＳプロセス技術を用いて所望の特性を備えたシリコン光導波路を実現するためには、技術的な課題がある。

一方、上述した加工技術とは別に、光導波路の光路長差を正確に制御する技術の一例が、特許文献２に記載されている。特許文献２に記載された光導波路は、曲線部分を有する一対の光導波路であって、この曲線部分は少なくとも同一の曲率を有する円弧状導波路部分により構成される。そして、一対の光導波路において、それぞれの光導波路が有する円弧状導波路部分の数が等しい構成としている。このような構成とすることにより、多数の曲がり導波路部分を組み合わせて構成した光導波路同士の対において、一対の光導波路の光路長差を正確に制御できるとしている。

国際公開第２０１４／１２５５３５号 国際公開第２０１１／１１５２８５号

上述したように、光ハイブリッドミキサは入力した信号光と局発光を干渉させ、信号光と局発光の位相差を強度信号に変換する光導波路素子である。信号光が偏光多重されている場合、信号光と局発光は光ハイブリッドミキサに入力する前に直交する二種の偏光に分離される。そして、光ハイブリッドミキサはそれぞれの偏光毎に干渉させ、信号光と局発光の位相差を強度信号に変換する。したがって、光ハイブリッドミキサ素子の内部の光導波路では、信号光と局発光がそれぞれの偏光を保存した状態で伝搬し、可干渉性を保持していることが必要である。

しかし、光ハイブリッドミキサ素子を小型化するために、シリコン光導波路を採用することなどにより、光導波路への光の閉じ込めは強くなっている。そのため、光伝搬モードはコアの形状によって大きな影響を受ける。すなわち、コアの形状および屈折率の断面分布の非対称性などにより、光導波路を伝搬する光の偏光状態が変化しやすくなっている。その結果、光ハイブリッドミキサ素子の小型化を図ると、偏光状態を保存した状態で光ハイブリッドミキサ素子の内部を光が伝搬することは困難になる、という問題がある。

一方、光ハイブリッドミキサ素子の二種の入力光である信号光と局発光は、偏光分離された後に所定の伝搬経路（光導波路）を通って光ハイブリッドミキサへ到達する。ここで、この伝搬経路は、偏光分離機能の実現手段や、光入力方法、および強度信号に変換した後の光電変換方法などの要因により決定される。このとき、複数の光機能を集積化し、またはチップ面積を有効に使用しようとすると、光回路の構成が複雑になる。例えば、信号光と局発光の伝搬経路が大きく異なる構成となる場合がある。この場合、伝搬中の偏光状態の変化も、信号光と局発光とでは異なるため、光ハイブリッドミキサに入力するときには信号光と局発光の偏光状態が異なる状態となる。そのため、光ハイブリッドミキサにおける信号光と局発光の可干渉性が損なわれ、正常な強度信号への変換が困難になる、という問題がある。

このように、複数の光導波路を備えた光導波路素子においては、小型化、高集積化を図ると、各光導波路を伝搬する光の可干渉性が低下する、という問題があった。

本発明の目的は、上述した課題である、複数の光導波路を備えた光導波路素子においては、小型化、高集積化を図ると、各光導波路を伝搬する光の可干渉性が低下する、という課題を解決する光導波路素子、光導波路デバイス、および光導波路の配置方法を提供することにある。

本発明の光導波路素子は、複数の第１の要素導波路を組み合わせて構成される第１の光導波路と、複数の第１の要素導波路とそれぞれ同一の構造である複数の第２の要素導波路を組み合わせて構成される第２の光導波路、とを有する。

本発明の光導波路の配置方法は、光導波路を構成する複数の要素導波路の構造をそれぞれ表わす複数の要素導波路構造を準備し、複数の要素導波路構造を組み合わせて第１の光導波路の配置を決定し、複数の要素導波路構造を組み合わせて第２の光導波路の配置を決定する。

本発明の光導波路素子、光導波路デバイス、および光導波路の配置方法によれば、複数の光導波路を備えた光導波路素子において、小型化、高集積化を図った場合であっても、各光導波路を伝搬する光の可干渉性を維持することができる。

本発明の第１の実施形態に係る光導波路素子の構成を模式的に示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る光導波路素子の別の構成を模式的に示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る光導波路素子のさらに別の構成を模式的に示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る光導波路デバイスの構成を示すブロック図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光導波路素子１００の構成を模式的に示すブロック図である。

本実施形態による光導波路素子１００は、第１の光導波路１１０と第２の光導波路１２０とを有する。第１の光導波路１１０は、複数の第１の要素導波路１１１を組み合わせて構成される。そして第２の光導波路１２０は、複数の第１の要素導波路１１１とそれぞれ同一の構造である複数の第２の要素導波路１２１を組み合わせて構成される。すなわち、第１の光導波路１１０および第２の光導波路１２０は、同一の構造からなる複数の要素導波路１１１、１２１を組み合わせた構成であり、そのため、導波する光の偏光状態の変化は等しい。

ここで、第１の要素導波路１１１および第２の要素導波路１２１は、直線導波路および曲がり導波路のいずれかである。図１に示した例では、第１の要素導波路１１１および第２の要素導波路１２１は、２個の直線導波路と２個の９０度曲がり導波路からなるＳ字導波路を含んで構成される同一の構造である。

このような構成とすることにより、第１の光導波路１１０および第２の光導波路１２０をそれぞれ伝搬する光が伝搬中に受ける偏光状態の変化は同一となる。そのため、第１の光導波路１１０および第２の光導波路１２０を伝搬中に偏光が保存されない場合であっても、伝搬した後の光の偏光状態は同一となる。その結果、各光導波路１１０、１２０を伝搬する光の可干渉性を維持することができる。

このように、本実施形態の光導波路素子１００によれば、伝搬する光の可干渉性を維持することができる。そのため、光導波路素子１００を伝搬した二種の光を、光ハイブリッドミキサなどの光混合部２００に導入することにより良好な干渉特性が得られる。これにより、光ハイブリッドミキサなどの正常な動作を実現することができる。すなわち、第１の光導波路１１０および第２の光導波路１２０はそれぞれ、入射光を直交する偏波光に分離する偏光分離部と光混合部２００との間を結ぶ光導波路とすることができる。ここで光混合部２００は、第１の光導波路１１０を伝搬した第１の伝搬光と第２の光導波路１２０を伝搬した第２の伝搬光とを混合する。

第１の光導波路１１０および第２の光導波路１２０は、シリコン材料を主成分として構成することができる。この場合においても、各光導波路を伝搬した後の光の偏光状態は同一となるので、シリコン光導波路を用いて小型化を図った構成においても、伝搬する光の可干渉性を維持することができる。

また、複数の第１の要素導波路１１１の組み合わせ態様は、複数の第２の要素導波路１２１の組み合わせ態様と異なる構成とすることができる。これにより、第１の光導波路１１０および第２の光導波路１２０の配置の自由度を増大させることができる。この場合にも、伝搬した後の光の偏光状態は同一であるので、高集積化により光回路の構成が複雑になった場合であっても、伝搬する光の可干渉性を維持することができる。

次に、本実施形態による光導波路の配置方法について説明する。

本実施形態による光導波路の配置方法においては、まず、光導波路を構成する複数の要素導波路の構造をそれぞれ表わす複数の要素導波路構造を準備する。そして、複数の要素導波路構造を組み合わせて第１の光導波路の配置を決定するとともに、複数の要素導波路構造を組み合わせて第２の光導波路の配置を決定する。

上述したように、本実施形態の光導波路素子１００および光導波路の配置方法によれば、複数の光導波路を備えた光導波路素子において、小型化、高集積化を図った場合であっても、各光導波路を伝搬する光の可干渉性を維持することができる。

図１では、第１の光導波路１１０と第２の光導波路１２０が対称な構成である場合について示した。しかし、各種の光回路を集積化する場合、対称または同一の構成とすることが困難な場合がある。

このような場合、本実施形態の光導波路素子を例えば図２に示す構成とすることができる。図２に示した本実施形態の光導波路素子１０１は、第１の光導波路１１０は図１に示した構成と同様である。一方、第２の光導波路１３０は、複数の第２の要素導波路１２１の組み合わせ態様が、複数の第１の要素導波路１１１の組み合わせ態様と異なる。すなわち、複数の第１の要素導波路１１１および複数の第２の要素導波路１２１は、長さが異なる複数の直線導波路を含んで構成されている。

しかしながら、複数の第２の要素導波路１２１のうちの直線導波路は、第１の要素導波路１１１の直線導波路を２個連結した構成である。したがって、第１の要素導波路１１１および第２の要素導波路１２１はいずれも、２個の直線導波路と２個の９０度曲がり導波路を含んで構成される同一の構造である。そのため、この場合も、第１の光導波路１１０および第２の光導波路１３０において同一の偏光状態の変化が生じるので、伝搬した後の光の偏光状態は同一となる。

また、図３に示すように、第２の光導波路１４０は、第２の要素導波路１２１として４５度曲がり導波路を含み、２個の４５度曲がり導波路を用いてＳ字導波路を形成した構成とすることができる。ここで、第１の光導波路１１０を構成する第１の要素導波路１１１のうちの９０度曲がり導波路は、４５度曲がり導波路を２個含んでいる。したがって、第１の要素導波路１１１および第２の要素導波路１２１はいずれも、２個の直線導波路と４個の４５度曲がり導波路を含んで構成される同一の構造である。そのため、この場合も、第１の光導波路１１０および第２の光導波路１４０において同一の偏光状態の変化が生じるので、伝搬した後の光の偏光状態は同一となる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態による光導波路素子を用いた光導波路デバイスについて説明する。

本実施形態による光導波路デバイスは、光導波路素子と、光導波路素子を構成する第１の光導波路を伝搬した第１の伝搬光と、光導波路素子を構成する第２の光導波路を伝搬した第２の伝搬光とを混合する光混合部とを有する。さらに、第１の光導波路と第２の光導波路の、光混合部が接続される側の端部と反対側の端部に、入射光を直交する偏波光に分離する偏光分離部を備えた構成とすることができる。

次に、本実施形態による光導波路デバイスについて、さらに詳細に説明する。

図４は、本実施形態に係る光導波路デバイス１０００の構成を示すブロック図である。

本実施形態の光導波路デバイス１０００は、信号光Ｓに対する偏光分離部１１１０、局発光Ｌに対する偏光分離部１２１０、第1の光導波路素子１１２０、第２の光導波路素子１２２０、光混合部としてのＸ偏波光ミキサ１１３０およびＹ偏波光ミキサ１２３０を有する。

偏光分離部１１１０および偏光分離部１２１０は、信号光Ｓおよび局発光Ｌを直交するＸ偏波成分とＹ偏波成分にそれぞれ分離する。

第1の光導波路素子１１２０が備える第１の光導波路１１２１がＸ偏波の信号光Ｓ_Ｘに対する伝搬経路ＸＳを構成し、第1の光導波路素子１１２０が備える第２の光導波路１１２２がＸ偏波の局発光Ｌ_Ｘに対する伝搬経路ＸＬを構成する。同様に、第２の光導波路素子１２２０が備える第１の光導波路１２２１がＹ偏波の信号光Ｓ_Ｙに対する伝搬経路ＹＳを構成し、第２の光導波路素子１２２０が備える第２の光導波路１２２２がＹ偏波の局発光Ｌ_Ｙに対する伝搬経路ＹＬを構成する。

Ｘ偏波光ミキサ１１３０は、伝搬経路ＸＳを伝搬したＸ偏波の信号光Ｓ_Ｘと、伝搬経路ＸＬを伝搬したＸ偏波の局発光Ｌ_Ｘを入力する。Ｙ偏波光ミキサ１２３０は、伝搬経路ＹＳを伝搬したＹ偏波の信号光Ｓ_Ｙと、伝搬経路ＹＬを伝搬したＹ偏波の局発光Ｌ_Ｙを入力する。

本実施形態の光導波路デバイス１０００においては、Ｘ偏波光ミキサ１１３０とＹ偏波光ミキサ１２３０にそれぞれ至る信号光と局発光の伝搬経路（ＸＳとＸＬ、およびＹＳとＹＬ）が、同一の構造からなる複数の要素導波路を組み合わせた構成である。そのため、Ｘ偏波光ミキサ１１３０およびＹ偏波光ミキサ１２３０に入力する信号光と局発光が、偏光分離部（ＰＳ、ＰＬ）によって分離された直後の直線偏光状態を保持していない場合であっても、信号光と局発光の干渉性は最大となる。その結果、Ｘ偏波光ミキサ１１３０およびＹ偏波光ミキサ１２３０は信号を正常に復元することができる。

次に、本実施形態による光導波路デバイス１０００の動作について説明する。ここでは簡単のため、Ｘ偏波側の動作について説明する。

２種の入力信号である信号光Ｓと局発光Ｌは、偏光分離部（ＰＳ）１１１０と偏光分離部（ＰＬ）１２１０によりそれぞれ、直交するＸ偏波とＹ偏波に分離される。Ｘ偏波の信号光Ｓ_Ｘと局発光Ｌ_Ｘは、それぞれ伝搬経路ＸＳと伝搬経路ＸＬを通ってＸ偏波光ミキサ１１３０に入力される。

Ｘ偏波光ミキサ１１３０において信号光Ｓ_Ｘと局発光Ｌ_Ｘが干渉するためには、偏光分離部（ＰＳ、ＰＬ）で分離された直交偏波状態が保存された状態であることが望ましい。この場合、信号光Ｓ_Ｘと局発光Ｌ_Ｘの偏波状態は同一であるので、干渉性は最大となる。なお、信号光Ｓ_Ｘと局発光Ｌ_Ｘは通常は直線偏光である。

ここで、伝搬経路ＸＳと伝搬経路ＸＬのいずれか、または両方の伝搬経路において偏波状態の変化が生じ、信号光Ｓ_Ｘと局発光Ｌ_Ｘが異なる偏波状態、例えば異なる楕円偏光となった場合について検討する。この場合、信号光Ｓ_Ｘと局発光Ｌ_Ｘには、それぞれ２種の位相の異なる信号成分、すなわち２種の直交偏波成分が存在することと同じになる。そのため、信号光Ｓ_Ｘと局発光Ｌ_Ｘが干渉した結果得られる出力信号（ＸＩ、ＸＱ）は直交した状態ではなくなる。これは、信号光Ｓ_Ｘと局発光Ｌ_Ｘの偏波状態の差が大きいほど顕著となり、正常な信号の復元が困難になる。

しかしながら、本実施形態の光導波路デバイス１０００においては、上述したように、信号光Ｓ_Ｘの伝搬経路ＸＳと局発光Ｌ_Ｘの伝搬経路ＸＬは、同一の構造からなる複数の要素導波路を組み合わせた構成である。具体的には例えば、伝搬経路ＸＳおよび伝搬経路ＸＬはいずれも、長さが１ミリメートル（ｍｍ）である直線導波路を２個、曲率半径が０．５ミリメートル（ｍｍ）である９０度曲がり導波路を２個だけ含んだ構成とすることができる。この場合、各導波路を複数の要素導波路にさらに分解し、長さが０．５ミリメートル（ｍｍ）である直線導波路を４個、曲率半径が０．５ミリメートル（ｍｍ）である４５度曲がり導波路を４個だけ含んだ構成とすることもできる。

このように、伝搬経路ＸＳおよび伝搬経路ＸＬを、同一の構造からなる複数の要素導波路を組み合わせた構成とすることにより、偏光変化の状態を同一とすることができる。そのため、Ｘ偏波光ミキサ１１３０に入力される信号光Ｓ_Ｘと局発光Ｌ_Ｘの偏光状態は同一となる。ただし、信号光Ｓ_Ｘと局発光Ｌ_Ｘは必ずしも直線偏光である必要はない。信号光Ｓ_Ｘと局発光Ｌ_Ｘの偏光状態が同一でありさえすれば、Ｘ偏波光ミキサ１１３０における干渉性は最大となるので、正常な信号の復元が可能である。

上述した光導波路デバイス１０００のＸ偏波側の動作は、Ｙ偏波側のＹ偏波光ミキサ１２３０に対しても同様である。すなわち、伝搬経路ＹＳと伝搬経路ＹＬを、同一の構造からなる複数の要素導波路を組み合わせた構成とすることにより、Ｙ偏波光ミキサ１２３０に入力する信号光Ｓ_Ｙと局発光Ｌ_Ｙの偏光状態を同一とすることができる。その結果、Ｙ偏波光ミキサ１２３０においても正常な信号の復元が可能となる。

上述したように、本実施形態の光導波路デバイス１０００によれば、複数の光導波路を備えた光導波路素子を伝搬した光の偏光変化の状態を同一とすることができる。そのため、シリコン光導波路を用いて小型化を図った構成とした場合、または高集積化により光回路の構成が複雑になった場合であっても、各光導波路を伝搬する光の可干渉性を維持することができる。

本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。

１００ 光導波路素子
１１０ 第１の光導波路
１１１ 第１の要素導波路
１２０、１３０、１４０ 第２の光導波路
１２１ 第２の要素導波路
２００ 光混合部
１０００ 光導波路デバイス
１１１０、１２１０ 偏光分離部
１１２０ 第1の光導波路素子
１１２１、１２２１ 第１の光導波路
１１２２、１２２２ 第２の光導波路
１１３０ Ｘ偏波光ミキサ
１２２０ 第２の光導波路素子
１２３０ Ｙ偏波光ミキサ

Claims (10)

1. 複数の第１の要素導波路を組み合わせて構成される第１の光導波路と、
   前記複数の第１の要素導波路とそれぞれ同一の構造である複数の第２の要素導波路を組み合わせて構成される第２の光導波路、とを有する
   光導波路素子。
2. 前記複数の第１の要素導波路の組み合わせ態様は、前記複数の第２の要素導波路の組み合わせ態様と異なる
   請求項１に記載した光導波路素子。
3. 前記第１の光導波路と前記第２の光導波路は、導波する光の偏光状態の変化が等しい
   請求項１または２に記載した光導波路素子。
4. 前記第１の光導波路および前記第２の光導波路はそれぞれ、
   入射光を直交する偏波光に分離する偏光分離部と、前記第１の光導波路を伝搬した第１の伝搬光と前記第２の光導波路を伝搬した第２の伝搬光とを混合する光混合部、との間を結ぶ光導波路である
   請求項１から３のいずれか一項に記載した光導波路素子。
5. 前記第１の要素導波路および前記第２の要素導波路は、直線導波路および曲がり導波路のいずれかである
   請求項１から４のいずれか一項に記載した光導波路素子。
6. 前記曲がり導波路は、９０度曲がり導波路および４５度曲がり導波路の少なくとも一方を含む
   請求項５に記載した光導波路素子。
7. 前記第１の光導波路と前記第２の光導波路は、シリコン材料を主成分として構成されている
   請求項１から６のいずれか一項に記載した光導波路素子。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載した光導波路素子と、
   前記第１の光導波路を伝搬した第１の伝搬光と、前記第２の光導波路を伝搬した第２の伝搬光とを混合する光混合部、とを有する
   光導波路デバイス。
9. 前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の、前記光混合部が接続される側の端部と反対側の端部に、入射光を直交する偏波光に分離する偏光分離部を備える
   請求項８に記載した光導波路デバイス。
10. 光導波路を構成する複数の要素導波路の構造をそれぞれ表わす複数の要素導波路構造を準備し、
    前記複数の要素導波路構造を組み合わせて第１の光導波路の配置を決定し、
    前記複数の要素導波路構造を組み合わせて第２の光導波路の配置を決定する
    光導波路の配置方法。

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