JP2017111163A

JP2017111163A - モード合分波器およびその製造方法

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Publication number: JP2017111163A
Application number: JP2015242855A
Authority: JP
Inventors: 達郎開; Tatsuro Hiraki; 泰土澤; Yasushi Tsuchizawa
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2017-06-22

Abstract

【課題】三次元光導波路を用いたモード合分波器における異なる層のコア間の屈折率差が、設計通りに形成できるモード合分波器およびその製造方法を提供する。
【解決手段】第１層コア１０１，１０２は、第２層コア１０３，１０４とは異なる屈折率とされている。また、第１層コア１０１，１０２は、所望の範囲（例えば最大でも４００℃とする範囲）の温度の上昇により屈折率が減少する第１材料から構成され、第２層コア１０３，１０４は、第１材料より温度変化による屈折率変化が小さい第２材料から構成されている。例えば、第１材料は、シリコンと酸素とから構成され、第２材料は、シリコンと酸素と窒素と重水素とから構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のコアから構成されるモード合分波器およびその製造方法に関する。

１本のマルチモード光ファイバで複数本のシングルモード光ファイバに相当する通信容量を可能とする、モード分割多重通信技術が開発され、この１つに空間多重伝送技術がある。空間多重伝送技術では、マルチモード光ファイバを伝送路とし、各々異なる各直線偏波（ＬＰ：Linearly Polarized）モードに独立した信号を多重しまた変調し、出力端ではモード毎に分離している。

空間多重伝送技術における送受信系では、各ＬＰモードを合波、分波するためのモード合分波器が必要となるが、三次元光導波路を用いたモード合分波器は、低損失化、小型化、安定動作化が容易であり、有望なモード合分波器である（非特許文献１参照）。

このモード分波器は、図５（ａ）に示すように、下部クラッド層（不図示）と、下部クラッド層の平面に平行な第１層に配列された第１層コア２０１，２０２と、下部クラッド層の平面に平行で第１層とは異なる第２層に配置された第２層コア２０３，２０４と、第１層コア２０１，２０２および第２層コア２０３，２０４を覆って下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層（不図示）とを備える。

第１層コア２０１，２０２は、第２層コア２０３，２０４より高い実効屈折率とされている。また、光ファイバとの結合部となる接続端２２１からモード分離部２２２までのモード結合領域２２３では、２つの第１層コア２０１，２０２および第２層コア２０３，２０４は、導波方向に垂直な断面上で隣り合うコア同士が互いに光結合可能な間隔で配置されている。例えば、第２層コア２０３および第２層コア２０４は、同じコア幅としている。

また、モード分離部２２２から先のモード分離領域２２４は、異なる層のコア同士は光結合しない状態とされている。実施の形態では、第１層コア２０１と第１層コア２０２との間隔が、モード分離部２２２より離れるに従い、暫時に広がる状態とすることで、モード分離領域２２４では、異なる層のコア同士は光結合しない状態としている。

また、第１層コア２０１，２０２は、第２層コア２０３，２０４とは異なる屈折率とされている。また、第１層コア２０１，２０２は、接続端２２１では、第２層コア２０３，２０４より狭いコア幅とされ、モード分離部２２２では、第１層コア２０１，２０２および第２層コア２０３，２０４は、互いに異なる実効屈折率となる状態のコア幅とされている。また、接続端２２１からモード分離部２２２にかけて暫時にコア幅が変化する状態に形成されている。例えば、暫時にコア幅が広がる状態としている。

このモード分波器は、図５（ｂ）に示すように、３つのモード（ＬＰ０１，ＬＰ１１ａ，ＬＰ１１ｂ）を合分波する。図５（ｂ）は、各ファイバモードを入射した際の伝搬特性の計算結果を示している。異なる屈折率を有するコアが積層された構造を特徴とし、テーパを用いたモード変換により、各ＬＰモードが異なるシングルモードの光導波路と接続される。

このモード分波器は、異なる層に配置されているコア間の屈折率の差が大きいほど、モード間クロストークの小さな素子となる。なお、上述したモード合分波器の各層のコアは、屈折率制御可能な石英系材料より構成されている。この石英系材料は、プラズマＣＶＤ法によりシリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）の原子組成比を調整して堆積されるＳｉＯ_xである。ＳｉＯ_xを堆積することで形成したＳｉＯ_x膜を、リソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングしてコアとしている。

T. Hiraki, T. Tsuchizawa, H. Nishi, T. Yamamoto and K. Yamada, "Monolithically Integrated Mode Multiplexer/De-multiplexer on Three-dimensional SiOx-waveguide Platform", Proc. in OFC2015, W1A.2, 2015.

ところで、上述したモード合分波器では、異なる層に形成されるコア間の屈折率誤差の解消が課題となる。モード合分波器の挿入損失やモード間クロストークは、異なる層に配置されるコア間の屈折率差に顕著に依存する。ところが、異なる層のコアを形成するための各ＳｉＯ_x膜の成膜時に、わずかながら屈折率誤差が生じるため、異なる層のコア間の屈折率差を設計通りに形成することは極めて困難である。

作製時の屈折率誤差に対しては、ＳｉＯ_x膜の場合、作製した後に素子の特性を測定・確認しながら加熱処理を行うことで、屈折率を調整する手法がある。しかしながら、ＳｉＯ_xによるコアで構成される上記モード合分波器を作製後に加熱した場合、上層および下層のコアの屈折率が同様に変化するため、上下層間の屈折率の差はほとんど変化しない。このため、作製後の屈折率誤差の解消は困難である。このように、三次元光導波路を用いたモード合分波器は、異なる層のコア間の屈折率差を設計通りに形成することは、作成後の調整でも容易ではない。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、三次元光導波路を用いたモード合分波器における異なる層のコア間の屈折率差が、設計通りに形成できるようにすることを目的とする。

本発明に係るモード合分波器は、下部クラッド層と、下部クラッド層の平面に平行な第１層に形成された第１層コアと、下部クラッド層の平面に平行で第１層とは異なる第２層に形成された第２層コアと、第１層コアおよび第２層コアを覆って下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層と、異なる層のコア同士が互いに光結合可能な間隔で配置されたモード結合領域と、異なる層のコア同士は光結合しない状態とされたモード分離領域とを備え、第１層コアは、第２層コアとは異なる屈折率とされ、第１層コアは、温度の上昇により屈折率が減少する第１材料から構成され、第２層コアは、第１材料より温度変化による屈折率変化が小さい第２材料から構成されている。

上記モード合分波器において、第１材料は、シリコンと酸素とから構成され、第２材料は、シリコンと酸素と窒素と重水素とから構成されていればよい。

本発明に係るモード合分波器の製造方法は、上述したモード合分波器を製造する製造方法であって、下部クラッド層、第１層コア、第２層コア、および上部クラッド層から構成されたモード合分波器を作製した後、４００℃未満の熱処理で第１層コアと第２層コアとの間の屈折率差を所望の値とする。

以上説明したことにより、本発明によれば、三次元光導波路を用いたモード合分波器における異なる層のコア間の屈折率差が、設計通りに形成できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態におけるモード合分波器の一部構成を示す平面図である。図２は、図１に示すモード合分波器のａａ’線の断面（ａ）およびｂｂ’線の断面（ｂ）を示す断面図である。図３は、実施の形態におけるモード合分波器を作製した後に加熱した場合の各層コアの屈折率の変化を示す特性図である。図４は、実施の形態におけるモード合分波器にＬＰ０１モードを入射した際の挿入損失と熱処理温度の関係を示す特性図である。図５は、三次元光導波路を用いたモード合分波器の構成を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図１，図２を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるモード合分波器の一部構成を示す平面図である。また、図２は、図１に示すモード合分波器のａａ’線の断面（ａ）およびｂｂ’線の断面（ｂ）を示す断面図である。この三次元光導波路構造のモード合分波器は、下部クラッド層１１１、第１層コア１０１，１０２、第２層コア１０３，１０４、上部クラッド層１１２を備える。なお、図１では、下部クラッド層１１１および上部クラッド層１１２を省略している。

第１層コア１０１，１０２は、下部クラッド層１１１の平面に平行な第１層に形成され、第２層コア１０３，１０４は、下部クラッド層１１１の平面に平行で第１層とは異なる第２層に形成されている。また、上部クラッド層１１２は、第１層コア１０１，１０２および第２層コア１０３，１０４を覆って下部クラッド層１１１の上に形成されている。

また、このモード合分波器は、異なる層のコア同士が互いに光結合可能な間隔で配置されたモード結合領域１２３と、異なる層のコア同士は光結合しない状態とされたモード分離領域１２４とを備えている。光ファイバとの結合部となる接続端１２１からモード分離部１２２までのモード結合領域１２３では、２つの第１層コア１０１，１０２および第２層コア１０３，１０４は、導波方向に垂直な断面上で隣り合うコア同士が互いに光結合可能な間隔で配置されている。

実施の形態におけるモード合分波器では、接続端１２１における各固有モードモードは、断熱テーパによりそれぞれモード分離部１２２の固有モードモードに変換される。モード分離部１２２の各コアは、断熱的に分離することで、各モードの大部分の強度はそれぞれ第１層コア１０１，第１層コア１０２、第２層コア１０３＋第２層コア１０４に分離される。最終的に、第１層コア１０１を入出力ポート１３１、第２層コア１０３と第２層コア１０４を２×１多重モード干渉型（multi-mode interferometer；ＭＭＩ）１０５で合波して入出力ポート１３２、第１層コア１０２を入出力ポート１３３とする。

ここでは、第２層コア１０３および第２層コア１０４は、同じコア幅としている。また、モード分離部１２２から先のモード分離領域１２４は、異なる層のコア同士は光結合しない状態とされている。また、実施の形態では、第１層コア１０１と第１層コア１０２との間隔が、モード分離部１２２より離れるに従い、暫時に広がる状態とすることで、モード分離領域１２４では、異なる層のコア同士は光結合しない状態としている。なお、実施の形態におけるモード合分波器は、また、第１層コア１０１，１０２、２層コア１０３，１０４は、接続端１２１からモード分離部１２２にかけて暫時に幅が変化する状態に形成されていればよい。

また、実施の形態におけるモード合分波器では、第１層コア１０１，１０２は、第２層コア１０３，１０４より高い実効屈折率とされている。接続端１２１では、第１層コア１０１，１０２および第２層コア１０３，１０４の屈折率が大きい方がより狭い幅とされ、モード分離部１２２では、第１層コア１０１，１０２および第２層コア１０３，１０４は、互いに異なる実効屈折率となる状態のコア幅とされていればよい。また、コアの総数は、光ファイバの伝搬モード数以上とされていればよい。

また、第１層コア１０１，１０２は、第２層コア１０３，１０４とは異なる屈折率とされている。また、第１層コア１０１，１０２は、所望の範囲（例えば最大でも４００℃とする範囲）の温度の上昇により屈折率が減少する第１材料から構成され、第２層コア１０３，１０４は、第１材料より温度変化による屈折率変化が小さい第２材料から構成されている。例えば、第１材料は、シリコンと酸素とから構成され、第２材料は、シリコンと酸素と窒素と重水素とから構成されている。

上述した構成とすることで、まず、各コアの非結合状態における実効屈折率が概ね等しい場合、各固有モードのモードプロファイルは、モード結合領域１２３において、接続端１２１に接続されるマルチモード光ファイバのＬＰモードと、各々が近似的にマッチング可能であり、各固有モードが各ＬＰモードと１対１で結合可能となる。また、各コアの実効屈折率値が異なる場合、各固有モードのプロファイルは、モード結合領域１２３においてそれぞれ異なるコアに強度が集中するプロファイルにすることが可能となる。

第１状態を満たす接続端１２１と、第２状態を満たすモード分離部１２２の間（モード結合領域１２３）において、所定のコアは暫時に広がる状態として各固有モード間を断熱的に接続することで、マルチモード光ファイバの各ＬＰモード光は、各々異なるコアに強度が集中するモードに変換され、各コアを入出力ポートとするようになり、モード合分波器とすることができる。

この動作原理は、従来の方向性結合器型とは異なり、分離可能なモード数は、モード分離部で用いた非結合状態における実効屈折率の種類数によって決定される。Ｍ種類（Ｍは自然数）のコアを用いてモード分離部を構成する場合、Ｍ個のＬＰモードを分離することができる。本発明によれば、モード結合領域を構成するコアの数、断面寸法、実効屈折率を変えることで、容易に空間多重度を増大させることができる。

実施の形態におけるモード合分波器は、３モード合分波器である。実施の形態では、第１層コア１０１，１０２と第２層コア１０３，１０４との間では、コア屈折率およびコアの厚さにより実効屈折率の違いを制御する。例えば、第１層コア１０１，１０２は、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）と重水素（Ｄ）とからなる材料であるＳｉＯＮ：Ｄから構成し、第２層コア１０３，１０４は、ＳｉとＯとからなる材料であるＳｉＯ_xから構成する。

また、同一の層内の第１層コア１０１と第１層コア１０２との間、および第２層コア１０３と第２層コア１０４との間は、コア幅を設計して実効屈折率を制御する。例えば、いずれの層もコア厚さは２．５μｍとし、各層において異なるコア屈折率とし、同一層内ではコア幅を変えている。

図２の（ａ）に示すように、接続端１２１の断面（端面）では、第１層コア１０１，１０２は、幅１．４μｍとし、第２層コア１０３，１０４は、幅２．５μｍとする。また、第１層コア１０１，１０２は、第２層コア１０３，１０４に比較して高い屈折率とする。この構成とすることで、接続端１２１では、非結合状態における実効屈折率が、第１層コア１０１≒第１層コア１０２≒第２層コア１０３≒第２層コア１０４となる。

このように構成した接続端１２１の各コアにおける固有モードフィールドパターンは、ＬＰ０１，ＬＰ１１ａ，ＬＰ１１ｂモードと近似的にマッチングするフィールドパターンであり、ＬＰ０１，ＬＰ１１ａ，ＬＰ１１ｂモードと１対１で結合可能であり、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂモードを、異なるシングルモード導波路に分波することができる。

また、図２の（ｂ）に示すように、モード分離部１２２では、高屈折率層の第１層コア１０１は、幅２．５μｍとし、第１層コア１０２は、幅２．１μｍとする。また、低屈折率層の第２層コア１０３および第２層コア１０４は、幅はいずれも幅２．５μｍとする。この構成とすることで、モード分離部１２２における非結合状態における実効屈折率は、「第１層コア１０１＞第１層コア１０２＞第２層コア１０３，第２層コア１０４」となる。

各コアは、例えば、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance：ＥＣＲ）プラズマを用いた化学的気相成長（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法により、堆積時の温度１５０℃の条件で形成できる膜をパターニングすることで形成すればよい。ＥＣＲＣＶＤを用いた堆積時のＳｉＯ_x膜およびＳｉＯＮ：Ｄ膜の屈折率誤差は、最大：±０．００２である。このため、上記設計値を狙って作製したモード合分波器では、コア間屈折率差は最大で０．００４程度の誤差が生じる。

上述したことにより、上層のＳｉＯ_xによる第２層コア１０３，１０４は、設計値より高い屈折率：１．５０５、下層のＳｉＯＮ：Ｄによる第１層コア１０１，１０２は、設計値通りの屈折率：１．５１５を狙って作製する。上記成膜技術を用いた場合、ＳｉＯ_x膜の屈折率は作製後熱処理温度に対してほぼ線形に減少し、ＳｉＯＮ：Ｄの屈折率変化は非常に小さくほぼ無視できることが分かっている。従って、設計値よりも高い屈折率値のＳｉＯ_x膜を成膜し、作製した後に特性をモニタしながら熱処理温度を調整することで、ＳｉＯ_xコア−ＳｉＯＮ：Ｄコア間の屈折率差を、設計値に調整することが可能となる。

実施の形態では、実際に作製される各コアの屈折率は、上層の第２層コア１０３，１０４が１．５０３〜１．５０７、下層の第１層コア１０１，１０２が１．５１３〜１．５１７の範囲内となる。

このように作製した実施の形態におけるモード合分波器を、作製後に加熱した場合の各層コアの屈折率の変化を図３に示す。実線は目的とする設計値、破線は最大プロセス誤差±０．００２における値である。熱処理によりＳｉＯ_xの屈折率のみを減少させることでコア間屈折率差を設計値：０．０１５とすることができる。実施の形態の場合、必要な加熱温度は、約１８０℃〜３９５℃の範囲であることが分かる。

作製後に屈折率を調整する場合は、モード合分波器の特性をモニタしながら加熱温度を徐々に増加させる。モニタする特性は、挿入損失やモード間クロストークなど適当なものを選べば良いが、ここでは、挿入損失をモニタする場合を説明する。図４に、ＬＰ０１モードを入射した際の挿入損失と熱処理温度の関係を示す。作製直後では、ＳｉＯ_xよりなる第２層コア１０３，１０４の屈折率が１．５０５、ＳｉＯＮ：Ｄよりなる第１層コア１０１，１０２コアが１．５１３である。

加熱により、実質的に、第２層コア１０３，１０４の屈折率のみが減少する。加熱温度の上昇に伴い上下層間コア間屈折率差が設計値に近づくため、挿入損失が低減する。最も挿入損失が低くなる温度付近が設計したコア間屈折率差となる。

実施の形態では、ＳｉＯ_xの屈折率は加熱温度に対してほぼ線形に変化するとしたが必ずしも線形であるとは限らない。屈折率変化の熱処理温度依存性は膜中の水素含有量などによって異なるため、成膜手法によって異なる。このため、あらかじめ、用いるＳｉＯ_xの屈折率と加熱温度の関係を知っておく必要がある。

ＳｉＯ_xは、処理温度が高くなると、温度増大に対する屈折率変化が減少から増大に転じ得る。例えば、屈折率１．５１〜１．５２程度のＳｉＯ_xにおいては、加熱温度が４００℃で屈折率が増大に転じることを、発明者らの実験により確認している。この場合、４００℃以上の温度においては屈折率差調整ができない。このため、熱処理温度は４００℃未満が望ましい。また、このようなモード合分波器は、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体を用いたアクティブ素子とモノリシックに集積される場合が多いが、これら集積されているアクティブ素子への熱ダメージを防ぐ観点からも、熱処理温度は４００℃未満が望ましい。

以上に説明したように、実施の形態では、下部クラッド層１１１、第１層コア１０１，１０２、第２層コア１０３，１０４、および上部クラッド層１１２から構成されたモード合分波器を作製した後、４００℃未満の熱処理で第１層コア１０１，１０２と第２層コア１０３，１０４との間の屈折率差を所望の値（設計値）としている。

ここで、第１層コア１０１，１０２は、温度の上昇により屈折率が減少する第１材料から構成し、第２層コア１０３，１０４は、第１材料より温度変化による屈折率変化が小さい第２材料から構成することが重要である。第１材料は、シリコンと酸素とから構成したＳｉＯ_xとし、第２材料は、シリコンと酸素と窒素と重水素とから構成したＳｉＯＮ：Ｄとすればよい。

以上に説明したように、本発明によれば、第１層コアは、所望の温度範囲の温度の上昇により屈折率が減少する第１材料から構成し、第２層コアは、第１材料より温度変化による屈折率変化が小さい第２材料から構成したので、三次元光導波路を用いたモード合分波器における異なる層のコア間の屈折率差が、設計通りに形成できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、ＳｉＯ_x、ＳｉＯＮ：Ｄを用いているが、材料はこれに限るものではない。一方が、所望とする所定範囲の温度の加熱によって屈折率が変動し、この加熱により他方の屈折率が、実質的に変動しない材料の組み合わせであればよい。ただし、両者とも屈折率制御が可能な材料である必要がある。

１０１，１０２…第１層コア、１０３，１０４…第２層コア、１０５…２×１多重モード干渉型（multi-mode interferometer；ＭＭＩ）、１１１…下部クラッド層、１１２…上部クラッド層、１２１…接続端、１２２…モード分離部、１２３…モード結合領域、１３１，１３２，１３３…入出力ポート。

Claims

下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の平面に平行な第１層に形成された第１層コアと、
前記下部クラッド層の平面に平行で前記第１層とは異なる第２層に形成された第２層コアと、
前記第１層コアおよび前記第２層コアを覆って前記下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層と、
異なる層のコア同士が互いに光結合可能な間隔で配置されたモード結合領域と、
異なる層のコア同士は光結合しない状態とされたモード分離領域と
を備え、
前記第１層コアは、前記第２層コアとは異なる屈折率とされ、
前記第１層コアは、温度の上昇により屈折率が減少する第１材料から構成され、
前記第２層コアは、前記第１材料より温度変化による屈折率変化が小さい第２材料から構成されている
ことを特徴とするモード合分波器。
請求項１記載のモード合分波器において、
前記第１材料は、シリコンと酸素とから構成され、
前記第２材料は、シリコンと酸素と窒素と重水素とから構成されている
ことを特徴とするモード合分波器。
請求項１または２記載のモード合分波器を製造するモード合分波器の製造方法であって、
前記下部クラッド層、前記第１層コア、前記第２層コア、および前記上部クラッド層から構成されたモード合分波器を作製した後、
４００℃未満の熱処理で前記第１層コアと前記第２層コアとの間の屈折率差を所望の値とする
ことを特徴とするモード合分波器の製造方法。