JP2017536572A - 偏光分離・回転デバイス - Google Patents

Abstract

偏光分離・回転デバイスは、第１の光導波路であって、第１の光導波路のコアが、第１の光導波路内に結合された偏光した光がゼロ次の横方向磁場モード（ＴＭ０）を１次の横方向電場モード（ＴＥ０）に変換させる一方で、ゼロ次の横方向電場モード（ＴＥ０）を変化させないようにするように、非対称に形成された第１の光導波路を含む光学モード変換器と、第１の光導波路に結合された第２の光導波路及び第２の光導波路に断熱結合された第３の光導波路と、を含む出力結合器であって、断熱結合が、第１の光導波路から第２の光導波路内に結合された偏光した光が、１次の横方向電場モードをゼロ次の横方向電場モードとして第３の光導波路に結合し、ゼロ次の横方向電場モードを、第３の光導波路に結合させることなく第２の光導波路内を伝搬させる状態を維持することによって、第２の光導波路と第３の光導波路との間で出力を拡張させる、出力結合器と、を含む。

Description

本願は、２０１４年１０月２８日に出願された「偏光分離・回転デバイス」と題する欧州特許出願第１４１９０６９５．８号の優先権の利益を主張し、その内容は参照により本明細書に組み込まれている。

本開示は、偏光分離・回転デバイスに関し、具体的には、断面非対称導波路及び断熱分波における断熱変換に基づく窒化シリコンプラットフォームに関する偏光分離・回転デバイスに関する。本開示はさらに、偏光分離・回転デバイスを製造するための方法に関する。本開示は一般に、フォトニック集積回路の分野に関する。

シリコンフォトニクスは、遠隔通信、データ通信、相互接続及びセンシングにおける幅広い応用例のための汎用的な技術プラットフォームとして重要性を急速に増している。ＣＭＯＳ（相補性金属酸化物半導体）と互換性のあるウェハースケール技術の使用を通じて、高品質低コストなシリコン基板上にフォトニック機能を実装することが可能である。しかし、純粋なパッシブシリコン導波路デバイスは、挿入損失、位相ノイズ（チャンネルクロストークを引き起こす）、及び温度依存性の点で、依然として性能が制限される。これは、ＳｉＯ２（二酸化シリコン）クラッディングとＳｉ（シリコン）コアとの間の高い屈折率コントラスト、不均一なＳｉ層の厚さ、及びシリコンの大きな熱−光学効果に起因する。

窒化シリコンに基づく受動デバイスは、優れた性能を示す。０．１ｄＢ／ｃｍよりも低い伝搬損失が、厚さ６４０ｎｍのＳｉＮｘ（窒化シリコン）導波路について示され、さらに５０ｎｍの厚さのコアを有する導波路について０．１ｄＢ／ｃｍよりも低かった。また、ＳｉＮｘ（ｎ＝２）とＳｉＯ２（ｎ＝１．４５）との間、及びＳｉ（ｎ＝３．５）とＳｉＯ２（ｎ＝１．４５）との間の多少低い屈折率（ｎ）コントラストにより、低い位相損失及びより大きな製造許容度が得られる。これにより、ＡＷＧ（アレイ導波路格子）、リング共振器などの高性能であるが依然として非常に小さな光学回路を製造することが容易になる。窒化シリコン導波路は、能動シリコンフォトニクスチップ上の高性能受動導波路層としてだけでなく、「スタンドアロン」受動光学チップとしても報告されている。

シリコン及び窒化シリコン材料システムの高い屈折率コントラスト（例えばシリカ導波路と比較して）は、強い偏光依存性をもたらす。偏光独立光学回路を実現するために、典型的には、偏光分離・回転器（ＰＳＲ）を使用する偏光ダイバーシティ構成が用いられる。偏光分離／回転機能性は、単一のデバイス（ＰＳＲ）または別個の偏光分離器（ＰＳ）及びそれに続く回転器（ＰＲ）の組み合わせに実装可能である。

図１に示されるような偏光ダイバーシティ構成１００において、入力信号１０２は、偏光分離器１０１によって２つの直交偏光成分（ＴＥ１０６及びＴＭ１０４）に分離され、この成分の１つ１０４は、９０°回転され（１０３）（ＴＭ１０４からＴＥ１０８）、単一オンチップ偏光状態を達成する。２つの個別のフォトニックコンポーネント１０５、１０７は、アーキテクチャの２つのアーム部について使用される。偏光成分１１０の１つが２つの信号の間の干渉を防ぐために回転されて（１０９）、出力において、２つのアーム部１１２、１１４は再結合されて（１１１）出力信号１１６を提供する。このようにして、偏光透過回路は、２つの偏光感受性フォトニックコンポーネントの外側に形成される。

シリコンにおける多くの偏光分離・回転器（ＰＳＲ）は、図２ａ及び２ｂに示されるように、垂直非対称導波路構成２００ａ、２００ｂにおいて偏光変換が可能であるという事実を利用する。この場合、底部クラッディング２０１、２１１はシリカ（ＳｉＯ２）であり、上部クラッディング２０３、２１３はシリコン２０５、２１５の屈折率（ｎ＝３．４５）よりも低い屈折率を有する異なる材料である。上部クラッディング材料２０３、２１３として、図２ａに示すような空気（ｎ＝１）を有するデバイス２００ａ及び図２ｂに示すように窒化シリコン（ｎ＝２）を有するデバイス２００ｂが共に報告されている。導波路断面は、図２ａ及び２ｂに示されている。

空気の上部クラッディング構成２００ａにおける問題は、これらのデバイスが屈折率を一定に保つことができるように気密パッケージされる必要があることである。これは、窒化シリコンでクラッドされたＰＳＲ２００ｂの場合では発生しない。

図２ａ及び２ｂの例は、シリカの底部及び窒化シリコンまたは空気の上部クラッディング層を有する非対称シリコン導波路を利用する。空気が顕著に製造コストを増加させることなく上部クラッディング層として使用することができないため、窒化シリコン導波路について垂直非対称性を導入することは容易ではない。上部クラッディング材料の屈折率は、二酸化シリコン（ｎ＝１．４５）とはできる限り異なることが必要であるが、窒化シリコンコア（ｎ＝２）の屈折率よりは低い必要がある。この範囲は、強い非対称性を得るには小さすぎる。さらに、材料はＣＭＯＳと互換性がある必要がある。

垂直非対称性を形成するために、シリカ上部クラッディング３０３及び底部クラッディング３０１を有し、導波路の上部に薄いシリコン層３０２（１０から１００ｎｍ）を有する窒化シリコン導波路３０５を使用する他の構成３００が、図３に示されている。薄いシリカ層３０４（＜１００ｎｍ）が、製造を容易にするために間に存在してもよい。導波路の高さ（ｈ）は、用途の波長に依存している。約１．５５μｍの波長について、典型的な値は約４００ｎｍである。

対称的なクラッディング及び非対称なバージョンを有する標準的な窒化シリコン導波路は、接合カップリングすることができる。しかしこの場合、遷移損失が存在する。短いテーパー（Ｌ＜５０μｍ）を追加することによって、遷移損失は無視可能となる。両構成は、図４ａ及び４ｂに示されている。図４ａは、遷移が標準的な垂直対称ＳｉＮｘ導波路４０３と非対称導波路４０１との間に形成される構成４００ａを示す。遷移は、図４ａに示されるように向けられ、または図４ｂに示されるように垂直対称導波路と非対称導波路との間のテーパー４０５を用いることによることができる。シリカ上部クラッディングは、これらの図には示されていないことに注意すべきである。この手法にはいくつかの利点があるが、１つの欠点は、追加的なシリコン層を伴い、窒化シリコンとポリシリコンとの間の酸化物の厚さを制御することである。

高い性能並びに、偏光分離・回転器を、特に窒化シリコンプラットフォーム上に容易に製造するという必要性がある。

本発明の目的は、高性能及び偏光分離・回転器を容易に製造することを可能にすることである。

この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。さらなる実装形態は、従属請求項、発明の詳細な説明及び図面から明らかである。

本発明を詳細に説明するために、以下の用語、略語及び符号が用いられる。
ＰＳＲ：偏光分離・回転器
ＴＥモード：電磁波の横方向の電場モード
ＴＥ０モード：ゼロ次のＴＥモード
ＴＥ１モード：１次のＴＥモード
ＴＭモード：電磁波の横方向磁場モード
ＴＭ０モード：ゼロ次のＴＭモード
ＣＭＯＳ：相補性金属酸化物半導体
ＳｉＯ_２：二酸化シリコン、シリカ
ＳｉＮ_ｘ：窒化シリコン
ＡＷＧ：アレイ導波路格子
ＲＩ、ｎ：屈折率、ｎと略される
ＳＯＩ：シリコンオンインシュレータ
ｕｍ：マイクロメートル、μｍ
断熱：断熱結合は、光が他のモードに散乱することなく次第に発生する１つの光学的にガイドされたモードから他のガイドされたモードへの変換である。

第１の態様によれば、本発明は、第１の光導波路であって、第１の光導波路のコアが、第１の光導波路内に結合された偏光した光がゼロ次の横方向磁場モードを１次の横方向電場モードに変換させる一方で、ゼロ次の横方向電場モードを変化させないようにするように、非対称に形成された第１の光導波路を含む光学モード変換器と、第１の光導波路に結合された第２の光導波路及び第２の光導波路に断熱結合された第３の光導波路と、を含む出力結合器であって、断熱結合が、第１の光導波路から第２の光導波路内に結合された偏光した光が、１次の横方向電場モードをゼロ次の横方向電場モードとして第３の光導波路に結合し、ゼロ次の横方向電場モードを、第３の光導波路に結合させることなく第２の光導波路内を伝搬させる状態を維持することによって、第２の光導波路と第３の光導波路との間で出力を拡張させる、出力結合器と、を含む、偏光分離・回転デバイスに関する。

そのような偏光分離・回転デバイスは、高い性能を有し、製造が容易である。

第１の態様に従うＰＳＲデバイスの第１の可能な実装形態において、第１の光導波路のコアの形状が、第１の光導波路の垂直軸及び／または水平軸に対して非対称である。

そのような非対称性は、ＴＭモードをＴＥモードに変換するのに適している。

そのような第１の態様に従う、または第１の態様の第１の実装形態に従うＰＳＲデバイスの第２の可能な実装形態において、第１の光導波路のコアが、コアの非対称形状を形成する少なくとも１つのアブレーション部を含む。

コアのアブレーション部は、例えばエッチングまたは研削製造プロセスを適用することによって、容易に製造可能である。

そのような第１の態様に従う、または第１の態様の前述の実装形態のいずれかに従うＰＳＲデバイスの第３の可能な実装形態において、第１の光導波路のコアが、第１の区画及び第１の区画と厚さの異なる第２の区画を含み、第１の区画及び第２の区画の異なる厚さが、コアの非対称形状を形成する。

異なる厚さの２つの区画の形成は、例えば異なる高さまでエッチングまたは研削を行うことによって、容易に製造することができる。

そのような第１の態様に従う、または第１の態様の前述の実装形態のいずれかに従うＰＳＲデバイスの第４の可能な実装形態において、第１の光導波路のコアの断面が非対称である。

コアの非対称な断面を有することで、ＴＥ０モードを維持しつつＴＭ０モードをＴＥ１モードに変換することができる。

そのような第１の態様に従う、または第１の態様の前述の実装形態のいずれかに従うＰＳＲデバイスの第５の可能な実装形態において、第１の光導波路のコアの断面が、第１の長方形とは大きさの異なる第２の長方形の上部に配置された第１の長方形として形成される。

コアのそのような構成は、ＴＥ０モードを維持しつつＴＭ０からＴＥ１モードへの変換を改善する。

そのような第１の態様に従う、または第１の態様の前述の実装形態のいずれかに従うＰＳＲデバイスの第６の可能な実装形態において、第２の導波路が、第１の導波路の連続部である。

第２の導波路が第１の導波路の連続部である場合、ＴＥ０モードは第１の導波路から第２の導波路へ損失なく最適に伝送することができる。

そのような第１の態様に従う、または第１の態様の前述の実装形態のいずれかに従うＰＳＲデバイスの第７の可能な実装形態において、第２の導波路が対称形状である。

第２の導波路が対称形状である場合、ＴＥ０モードは第２の導波路を最適に伝搬することができる。

そのような第１の態様に従う、または第１の態様の前述の実装形態のいずれかに従うＰＳＲデバイスの第８の可能な実装形態において、第１の光導波路のコアが、第１の光導波路の長手方向のテーパー形状構造として形成される。

そのようなテーパー構造の構成により、第１の光導波路内のＴＭ０モードとＴＥ１モードとの間の変換が容易になる。

そのような第１の態様に従う、または第１の態様の前述の実装形態のいずれかに従うＰＳＲデバイスの第９の可能な実装形態において、第１の光導波路のコアが、１．８から２．５の範囲の屈折率を有する。

そのような屈折率を有するコアは、十分な屈折率コントラストを提供し、そのため位相ノイズが少なくなり、製造許容範囲が大きくなる。

そのような第１の態様に従う、または第１の態様の前述の実装形態のいずれかに従うＰＳＲデバイスの第１０の可能な実装形態において、第１の光導波路のコアが、窒化シリコン、ＳｉＯＮ、Ｔａ２Ｏ５、及びＴｉＯ２のうちの１つから形成される。

これらの材料は、ＳｉＯ２に対する屈折率コントラストがシリコンよりも良好であり、それによって優れた性能を得ることができる。

そのような第１の態様に従う、または第１の態様の前述の実装形態のいずれかに従うＰＳＲデバイスの第１１の可能な実装形態において、第１の光導波路のコアが、コア、特に二酸化シリコンからなるクラッディングと異なる屈折率を有するクラッディング内に埋め込まれる。

コアのクラッディングがコアと異なる屈折率を有する場合、導波路の案内がサポートされる。二酸化シリコンからなるクラッディングは、幅広い波長範囲に渡って高い性能を有する。

第２の態様によれば、本発明は、第１の光導波路のコアを形成し、コアから材料を除去してコアの非対称形状を形成し、クラッディング内にコアを埋め込むことにより、光学モード変換器を製造する段階であって、非対称形状が、第１の光導波路内に結合された偏光した光が、ゼロ次の横方向磁場モードを１次の横方向電場モードに変換する一方で、ゼロ次の横方向電場モードを変化しない状態のままに維持する、光学モード変換器を製造する段階と、第２の光導波路を第１の光導波路に結合し、第３の光導波路を第２の光導波路に断熱結合することによって出力結合器を製造する段階であって、断熱結合が、第１の光導波路から第２の光導波路に結合された偏光した光が、１次の横方向電場モードをゼロ次の横方向電場モードとして第３の光導波路内に結合し、ゼロ次の横方向電場モードが、第３の光導波路に結合することなく第２の光導波路内を伝搬する状態を維持することによって、第２の光導波路と第３の光導波路との間で出力を拡張させる、出力結合器を製造する段階と、を含む、偏光分離・回転デバイスを製造するための方法に関する。

そのような製造方法によって、高性能な偏光分離・回転デバイスが製造可能である。

第２の態様に従う方法の第１の可能な実装形態において、材料が、エッチングによってコアから除去される。

エッチングは、コアに非対称性を非常に効率的にもたらすために使用可能な単純なプロセスステップである。

そのような第２の態様に従う、または第２の態様の第１の実装形態に従う方法の第２の可能な実装形態において、光学モード変換器及び出力結合器を製造する段階が、ＣＭＯＳ互換性のあるウェハースケールプロセシングによって実行される。

ＣＭＯＳ互換性のあるウェハースケールプロセシングは、ＰＳＲデバイスを製造するのに効率的に適用可能な標準的な製造方法である。

本発明のさらなる態様は、窒化シリコンプラットフォームと互換性があり、効率的な偏光分離／回転器（ＰＳＲ）を製造することが可能な導波路構成に関する。

本発明のさらなる態様は、ＴＭ０からＴＥ１モードに変換するモード変換器を形成するのに使用される窒化シリコンプラットフォームに関する、シャロー非対称導波路変換器構成に関する。ＴＥ０モードは変化せずに残される。

本発明のさらなる態様は、ＴＥ０とＴＥ１（ＴＭ０であったもの）を分離するＴＥ０／ＴＥ１分波器を有するこのモード変換器の組み合わせに関する。出力結合器は、様々な方法で実行可能である。好適な実施形態は、以下に説明するような３段階出力結合器であり、これは大きな帯域幅及び強い製造許容範囲を可能にする。この組み合わせは、偏光分離・回転器（ＰＳＲ）を形成する。この構成は、屈折率が１．８から２．５の範囲にある他の導波路材料（例えば、ＳｉＯＮ、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２導波路及びその他多くのもの）と同等である。

本発明のさらなる実施形態は、以下の図面に関して説明される。

入力信号１０２が、２つの直交偏光成分ＴＥ１０６及びＴＭ１０４に分離される、偏光ダイバーシティ構成１００を示すブロック図を示す。 上部クラッディング材料として空気を用いる垂直非対称導波路構成２００ａの断面図を示す。 上部クラッディング材料としてＳｉＮｘを用いる垂直非対称導波路構成２００ｂの断面図を示す。 シリカ上部クラッディング３０３及び底部クラッディング３０１を有する窒化シリコン導波路３０５並びに導波路の上部の薄いシリコン層３０２を用いた垂直非対称導波路構成３００の断面図を示す。 遷移が垂直対称ＳｉＮｘ導波路４０３と非対称導波路４０１との間に形成された構成４００ａの側面図を示し、直接遷移を示す。 遷移が垂直対称ＳｉＮｘ導波路４０３と非対称導波路４０１との間に形成された構成４００ｂの側面図を示し、テーパー４０５を用いることによる遷移を示す。 ある実装形態に従うモード変換区画５０１及び分波器区画５０３を含む偏光分離・回転デバイス５００の概略図を示す。 ある実装形態に従う図５ａに示される偏光分離・回転デバイス５００のモード変換区画５０１の上面図を示す。 図５ｂに示された偏光分離・回転デバイスのモード変換区画５０１を通る、平面Ａ−Ａ”の断面図を示す。 ある実装形態に従う図５ａに示される偏光分離・回転デバイス５００の分波器区画５０３の上面図を示す。 ある実装形態に従う偏光分離・回転デバイスのモード変換区画６００ａの概略図を示す。 ある実装形態に従うＴＥ０モード伝搬を示す図６ａに示されたモード変換区画６００ａの概略図を示す。 ある実装形態に従うＴＭ０からＴＥ１へのモード変換を示す図６ａに示されたモード変換区画６００ａの概略図である。 ある実装形態に従う異なる導波路構成についてのテーパーの長さの関数として、ＴＭ０からＴＥ１へのモード変換効率を示す性能図７００を示す。 ある実装形態に従う偏光分離・回転デバイスの３段階分波器区画８００ａの概略図を示す。 ある実装形態に従うＴＥ１からＴＥ０へのモード変換を示す図８ａに示された３段階分波器区画８００ａの概略図を示す。 ある実装形態に従うＴＥ０モード伝搬を示す図８ａに示された３段階分波器区画８００ａの概略図を示す。 ある実装形態に従うＴＭ０からＴＥ０へのモード変換を示すモード変換区画及び分波器区画５００ｃを含む偏光分離・回転デバイス９００の概略図を示す。 図９に示された偏光分離・回転デバイス９００の、入力導波路におけるＴＥ１モードと上側出力導波路におけるＴＥ０モードとの間の結合効率を示す性能図１０００を示す。 ある実装形態に従う偏光分離・回転デバイスを製造するための方法１３００を示す概略図を示す。

以下の詳細な説明において、その一部を成し、本開示が実施されうる特定の態様の例示として示される添付図面を参照する。本開示の範囲から逸脱することなく、他の態様が利用され、構造的または論理的な変化がなされうることは理解されるべきである。そのため、以下の詳細な説明は、限定的な意味でなされるものではなく、本開示の範囲は添付した特許請求の範囲によって定義される。

本明細書で説明されるデバイスおよび方法は、光導波路に基づくものでありうる。光導波路は、光学スペクトルにおける電磁波を案内する物理的構造である。光導波路は、集積光学回路内のコンポーネントとして、または局所的及び／または長距離光通信システムの伝達媒体として使用されうる。光導波路は、例えば平面状、ストリップ、またはファイバー導波路などの幾何形状、例えばシングルモードまたはマルチモードなどのモード構造、例えばステップ状または勾配上の屈折率などの屈折率分布、及び例えばガラス、ポリマーまたは半導体などの材料に従って分類されうる。

本明細書で説明される方法及びデバイスは、集積光学チップを製造するために実装されうる。説明されるデバイスおよびシステムは、ソフトウェアユニット及びハードウェアユニットを含みうる。説明されるデバイスおよびシステムは、集積回路及び／または受動部品を含み、様々な技術に従って製造されうる。例えば、回路は、論理集積回路、アナログ集積回路、混合信号集積回路、光学回路、メモリ回路及び／または集積受動部品として設計されうる。

本明細書で説明されるデバイスは、ＩＩＩ−Ｖ材料を含み、またはＩＩＩ−Ｖ材料を用いることによって製造されうる。ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体は、例えばＡｌ、Ｇａ、ＩｎなどのＩＩＩ族元素を、例えばＮ、Ｐ、Ａｓ、ＳｂなどのＶ族元素と組み合わせることによって得られうる。これは、上述の例示的な元素について約１２の可能な組合せに帰結しうる。最も重要なものは、おそらくＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ及びＧａＮである。以下に説明される例において、ＩｎＰはＩＩＩ−Ｖ材料の例示的なメンバーとして使用されうる。ＩｎＰの使用は、単なる例であり、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＰまたはＧａＮなどのＩＩＩ族元素とＶ族元素との任意の他の組み合わせも同様に使用されうることは理解されよう。

本明細書で説明されるデバイスは、薄膜及びエピタキシャル（エピ）層の成長／再成長を含み、またはこれらを用いることによって使用されうる。薄膜は、数分の１ナノメートルから数マイクロメートルの厚さの範囲の材料の層である。薄膜を表面に適用することは、薄膜成膜とも呼ぶ。材料の薄膜を基板上またはその前に成膜された層の上に成膜するための任意の技術は、薄膜成膜と呼ばれる。「薄い」は相対的な用語であるが、ほとんどの成膜技術は、層の厚さを数１０ナノメートル以内で制御する。エピタキシーは、結晶基板上の結晶オーバー層の成膜を指す。オーバー層は、エピタキシャル（エピ）膜またはエピタキシャル層とも呼ばれる。いくつかの用途において、成膜される材料は、基板結晶構造に対して１つの良好に画定された配向を有する結晶オーバー層を形成することが望ましいものでありうる。エピタキシャル膜は、気体または液体の前駆体から成長または再成長されうる。基板はシード結晶として働くため、成膜された膜は、基板の結晶に対して１つ以上の結晶学的方位に固定されうる。

説明される方法に関してなされる言及はまた、方法を実施するように構成された対応するデバイスまたはシステムについても同様であり、その逆も同様でありうることを理解すべきである。例えば、特定の方法のステップが説明される場合、対応するデバイスは、そのようなユニットが図に明示的に説明されず、または図示されないとしても、説明される方法のステップを実施するためのユニットを含みうる。さらに、本明細書で説明される様々な例示的な態様の特徴は、具体的にそうでないと記載されない場合、互いに結合されうることを理解すべきである。

図５ａは、ある実装形態に従うモード変換区画５０１及び分波器区画５０３を含む偏光分離・回転デバイス５００の概略図を示す。モード変換区画はまた、以下、光学モード変換器５０１とも示され、分波器区画はまた、以下、出力結合器５０３とも光学分波器とも呼ばれる。図５ｂは、ある実装形態に従う図５ａに示される偏光分離・回転デバイス５００のモード変換区画５０１の上面図を示す。図５ｃは、図５ｂに示される偏光分離・回転デバイスのモード変換区画５０１を通るＡ−Ａ”平面の断面図を示し、図５ｄは、ある実装形態に従う図５ａに示された偏光分離・回転デバイス５００の分波器区画５０３の上面図を示す。

光学モード変換器５０１は、第１の光導波路５１１を含む。第１の光導波路５１１のコア５１５、５１７ａ、５１７ｂは、非対称な形状である。この非対称な形状は、第１の光導波路５１１に結合された偏光した光を、ゼロ次の横磁場モードＴＭ０を１次の横方向電場モードＴＥ０に交換し、ゼロ次ＴＥ０の横方向電場モードを変化させないようにする。

出力結合器５０３は、第１の光導波路５１１に結合された第２の光導波路５１２及び第２の光導波路５１２に断熱結合された第３の光導波路５１３を含む。断熱結合は、１次の横方向電場モードＴＥ１をゼロ次の横方向電場モードＴＥ０として第３の光導波路５１３に結合し、第２の光導波路５１２内を伝搬するゼロ次の横方向電場モードＴＥ０を第３の光導波路５１３に結合することなく維持することによって、第１の光導波路５１１から第２の光導波路５１２に結合された偏光した光が、第２の光導波路５１２と第３の光導波路５１３との間の出力を拡大するようにする。

第１の光導波路５１１のコア５１５、５１７ａ、５１７ｂの形状は、第１の光導波路５１１の垂直軸及び／または水平軸に対し非対称でありうる。第１の光導波路５１１の水平軸ＡＡ”は図５ｂに示され、第１の光導波路５１１の垂直軸ＢＢ”は図５ｃに示されている。図５ａから５ｄに示された実装形態において、コアの非対称性は、第１の光導波路５１１の垂直軸ＢＢ”に対するものである。

第１の光導波路５１１のコア５１５、５１７ａ、５１７ｂは、コア５１５、５１７ａ、５１７ｂの非対称形状を形成する少なくとも１つのアブレーション部を含む。アブレーション部は、コアの２つの区画５１５及び５１７ａ、５１７ｂの異なる厚さの原因となる。第１の光導波路５１１のコア５１５、５１７ａ、５１７ｂは、第１の区画５１５及び第１の区画５１５と異なる厚さを有する第２の区画５１７ａ、５１７ｂを含みうる。第１の区画５１５及び第２の区画５１７ａ、５１７ｂの異なる厚さは、コア５１５、５１７ａ、５１７ｂの非対称形状を形成する。第２の区画５１７ａ、５１７ｂは、コアの長手方向に対してコアの両側に配置されうる２つのサブ区画５１７ａ、５１７ｂを有しうる。

第１の光導波路５１１のコア５１５、５１７ａ、５１７ｂの断面は非対称でありうる。第１のサブ区画５１７ａは、第２のサブ区画５１７ｂと異なる大きさであり得、それによってコアの断面の非対称性を形成する。

第１の光導波路５１１のコア５１５、５１７ａ、５１７ｂの断面は、図５ｃから分かるように、第１の長方形５２１とは異なる大きさを有する第２の長方形５２３ａ、５２３ｂの上部におかれた第１の長方形５２１として形成されうる。第２の長方形の辺５２３ａ、５２３ｂは、コアの第２の区画の２つのサブ区画５１７ａ、５１７ｂを形成しうる一方で、第１の長方形５２１は、コアの第１の区画５１５を形成しうる。

第２の光導波路５１２は、図５ａに示されるように第１の光導波路５１１の連続部でありうる。第２の光導波路５１２は、対称に形成されうる。

第１の光導波路５１１のコア５１５、５１７ａ、５１７ｂは、図５ｂから分かるように、第１の光導波路５１１の長手方向５３１においてテーパー構造として形成されうる。第１の光導波路５１１のコア５１５、５１７ａ、５１７ｂは、１．８から２．５の範囲の屈折率を有しうる。第１の光導波路５１１のコア５１５、５１７ａ、５１７ｂは、窒化シリコン、ＳｉＯＮ、Ｔａ２Ｏ５またはＴｉＯ２からなりうる。第１の光導波路５１１のコア５１５、５１７ａ、５１７ｂは、図５ｃから分かるようにコア５１５、５１７ａ、５１７ｂと異なる屈折率を有するクラッディング５１９に埋め込まれうる。クラッディング５１９は、二酸化シリコンからなりうる。

図５ａから５ｄの構造は、分離・回転器が、いかなる追加的なプロセスステップも必要なく、窒化シリコンに実装されうるデバイス５００を示す。図５ａから５ｄに示されるように、変換器５０１にモード変換を発生させるのに必要な非対称性は、導波路コア５１５、５１７ａ、５１７ｂ内に形成され、クラッド５１９内には形成されない。これは、図５ｃから分かるように、導波路５１１の両側または一方の側のみの窒化シリコンを局所的に薄くする「シャローエッチ」ステップを使用することによって達成されうる。さらに、デバイス５００の光学帯域を改善し、製造許容範囲を大きくするために、デバイス５００の分波器区画５０３は、断熱結合器に基づいている。

ＴＭからＴＥ１へ、及びＴＥ０からＴＥ０へのモード変換のためのシャロー導波路構成は、図５ｃに示されている。図５ｃに示されるような導波路構成は、比較的強い水平方向非対称性をもたらす。これは、例えば窒化シリコンプラットフォーム上に、図５ｂに示されるように、偏光分離／回転器（ＰＳＲ）に関して使用可能な効果的なテーパーを可能にする。

図５ａから５ｄに示されるようなＰＳＲデバイス５００は、多くの利益を呈する。例えば、ＰＳＲデバイス５００は、ＣＭＯＳ互換性構造として製造されうる。シリコンフォトニクスは、ＣＭＯＳ製造における光学デバイスの製造の可能性を提示し、そのため電子部品チップを作るために形成されるインフラストラクチャーを活用することができるため、魅力的である。ＰＳＲデバイス５００についてフォトニックビルディングブロックを形成するために必要な全てのステップは、このインフラストラクチャーと互換性がある。標準的な窒化シリコンプラットフォームと比較して、追加的なプロセスステップを追加する必要はない。デバイス５００の波長帯域は、極端に幅広い。ＰＳＲ領域は上部クラッディングを有するため、気密パッケージは必要ない。モード変換効率は、断面の寸法変化に対して非常に許容範囲が大きい。光は、窒化シリコン導波路に結合され、ＰＳＲがシリコン内で実行される際に、構造は、窒化シリコンからシリコンへの遷移に関する光学損失を避ける。

図６ａは、ある実装形態に従う偏光分離・回転デバイスのモード変換区画６００ａの概略図を示す。モード変換区画６００ａは、図５ａから５ｄに関して上述されたＰＳＲデバイス５００のモード変換区画５０１の例示的な実施形態である。

図６ａは、約３５０から４５０ｎｍの厚さ（厚さ全体）または約２５０から３５０ｎｍの厚さ（シャローエッチング領域）のいずれかであるＳｉＮｘ導波路を構成する導波路断面におけるテーパー構造の挙動を示している。構造の適切な設計によって、発生したＴＥ０モードは図６ｂに示されるようにその偏光状態を維持し（ＴＥ０からＴＥ０）、その一方図６ｃに示されるようにＴＭ０モードは１次ＴＥモードに変換する（ＴＭ０からＴＥ１）。

モード変換区画６００ａは、第１の光導波路の長手方向に５つのサブ区画６０６、６０４ａ、６０２、６０４ｂ、６０８を含む。

これら５つのサブ区画のそれぞれにおいて、コアは、図５ａから５ｄに関して前述したように、第１の区画５１５及び第２の区画５１７ａ、５１７ｂに区分される。

図６ｂは、ある実装形態に従うＴＥ０モード伝搬を示す図６ａに示されたモード変換区画６００ａの概略図を示している。モード変換区画６００ａの入力におけるＴＥ０モード６０２は、変換されることなくモード変換区画６００ａを通って伝搬し、モード変換区画６００ａの出力においてＴＥ０モード６０４としてモード変換区画６００ａを離れる。ＴＥ０モードは、主に第１の導波路の第１の区画５１５内を伝搬する。

図６ｃは、ある実装形態に従うＴＭ０からＴＥ１へのモード変換を示す図６ａに示されたモード変換区画６００ａの概略図を示している。モード変換区画６００ａの入力におけるＴＭ０モード６０６がモード変換区画６００ａを通って伝搬する一方で、ＴＭ０モードはＴＥ１モード６０８ａ、６０８ｂに変換され、モード変換区画６００ａの出力においてＴＥ１モード６０８ａ、６０８ｂとしてモード変換区画６００ａを離れる。ＴＭ０モードからＴＥ１モードへのモード変換は、第１の導波路の第１の区画５１５及び第２の区画５１７ａ、５１７ｂの非対称性によって引き起こされる。

図７は、実装形態に従う異なる導波路構成に関してテーパー長さの関数として、ＴＭ０からＴＥ１モードへの変換効率を示す性能図７００を示している。

シミュレーションで使用されるパラメータが表１に示されている。図７は、テーパー構造の中心区画の長さの関数としての、ＴＭ０からＴＥ１への変換効率のシミュレーションである。ＴＥ１モードは７０１で示され、ＴＭ０モードは７０２で示されている。中心区画が約３００μｍの長さを超える場合、これは〜１００％の変換効率となる。ここで図６ａから６ｃに示されるようにシャローエッチングされた導波路構成を使用することによって、比較的効率のよい変換を得ることができる。構造長さは、垂直非対称導波路構成と同等であるが、プロセシングはより単純である。これらのシミュレーションはλ＝１．５５μｍでなされたが、他の波長も可能である。

図８ａは、ある実装形態に従う偏光分離・回転デバイスの３段階分波器区画８００ａの概略図を示す。分波器区画８００ａは、図５ａから５ｄに関して前述したＰＳＲデバイス５００の分波器区画５０３の例示的な実施形態である。第１の段階８０１において、ＴＥ１モード及びＴＥ０モードは、分波器区画８００ａの第２の光導波路５１２に入る。第２の段階８０２において、光の伝搬方向に関して第１の段階８０１の後に、ＴＥ１モードが第３の光導波路内でＴＥ０モードに変換され（８１０）、ＴＥ０モードは変換されることなく第２の光導波路５１２を通って伝搬する。第３の段階８０３において、第２の段階８０２の後に、第３の光導波路５１３のＴＥ０モード及び第２の光導波路５１２のＴＥ０モードは、分波器区画８００ａを離れる。

図８ｂは、ある実装形態に従うＴＥ１からＴＥ０へのモード変換を示す図８ａに示された３段階分波器区画８００ａの概略図を示している。第２の光導波路５１２内のＴＥ１モード６０８ａ、６０８ｂは、第３の光導波路５１３内でＴＥ０モード６１０に変換される。ＴＥ１モード６０８ａ、６０８ｂは、図６ｃに関して前述したように、モード変換区画６００ａの第１の導波路５１１を離れるＴＥ１モードに対応する。

図８ｃは、ある実装形態に従うＴＥ０モード伝搬を示す図８ａに示された３段階分波器区画８００ａの概略図を示す。ＴＥ０モード６０４は、変換されることなく第２の光導波路５１２を通って伝搬し、ＴＥ０モード６１２として第２の光導波路５１２を離れる。ＴＥ０モード６０４は、図６ｂに関して前述したように、モード変換区画６００ａの第１の導波路５１１を離れるＴＥ０モードに対応する。

図８ａから８ｃにおいて、分波器区画８００ａは、断熱分波器として設計され、ＳｉＮｘ導波路は約４００ｎｍの厚さである。構造の適切な設計によって、発生したＴＥ１モードは第１の出力ポートのＴＥ０モードに変換され（ＴＥ０からＴＥ０）、その一方ＴＥ０モードは導波路内にとどまり、第２の出力ポートへの経路をたどる。この実施形態において、３段階断熱結合器が用いられ、２つの導波路を分離するために出力上の２つの曲げ部を使用する。

図９は、ある実装形態に従うＴＭ０からＴＥ０へのモード変換を示すモード変換区画６００ａ及び分波器区画８００ａを含む偏光分離・回転デバイス９００の概略図を示す。モード変換区画６００ａは、図６ａから６ｃに関して前述したようなモード変換区画６００ａに対応する。分波器区画８００ａは、図８ａから８ｃに関して前述したように分波器区画８００ａに対応する。

モード変換区画６００ａの第１の光導波路５１１において、ＴＭ０モード６０６は、分波器区画８００ａの第２の光導波路５１２に入るＴＥ１モード６０８ａ、６０８ｂに変換され、そこではＴＥ０モードに変換され、分波器区画８００ａの第３の光導波路５１３に結合される。

図１０は、図９に示された偏光分離・回転デバイス９００の入力導波路におけるＴＥ１モードと上側出力導波路におけるＴＥ０モードとの間の結合効率を示す性能図１０００を示している。第２の区画の長さの関数としての、ＴＥ１とＴＥ０モードとの間の結合効率のシミュレーションは、区画が４００μｍよりも長いと、約１００％の結合効率を達成することができることを示している。

分離・回転デバイスの新規な性質は、モード変換器及び分波器の両方の段階、及びそれらの結合の段階にある。シャロー導波路を用いた本開示に従うＴＭ０からＴＥ１モードへの変換は、ＣＭＯＳ互換性があり、追加的な加工を必要としない。さらに、ＴＥ１及びＴＥ０モードを分波する分波区画において結合する出力の第２及び第３の光導波路の断熱結合は、非常に大きな光学帯域幅及び堅牢性を可能にする。

適切な設計によって、製造許容範囲は非常に緩和される。テーパーが十分に長くなるように選択されれば、約±１０％の線幅の変動及び層厚さの変動は容易に許容可能である。断熱変換器及び分波器を使用することによって、ＰＳＲの波長帯域幅はＣバンドよりも広くなりうる。

図１１は、ある実装形態に従う光学モード変換器及び出力結合器を含む偏光分離・回転デバイスを製造するための方法１３００を示す概略図を示している。光学モード変換器１３０１は、図５及び図６に関して上述された光学モード変換器５０１、６００ａとしての構造を有しうる。出力結合器は、図５及び図８に関して前述された出力結合器５０３、８００ａとしての構造を有しうる。

方法１３００は、第１の光導波路のコアを形成し、コアから材料を除去してコアの非対称形状を形成し、コアをクラッディング内に埋め込むことによって光学モード変換器を製造する段階１３０１を含み、非対称形状は、第１の光導波路に結合される偏光した光がゼロ次の横方向磁場モードを１次の横方向電場モードに変換する一方でゼロ次の横方向電場モードを変化しない状態に維持するようにする。方法１３００は、第２の光導波路を第１の光導波路に結合し、第３の光導波路を第２の光導波路に断熱結合することによって出力結合器を製造する段階１３０２を含み、断熱結合は、第１の光導波路から第２の光導波路に結合された偏光した光を、１次横方向電場モードをゼロ次横方向電場モードとして第３の光導波路に結合し、ゼロ次の横方向電場モードを第３の光導波路に結合することなく第２の光導波路内を伝搬させる状態を維持することによって、第２の光導波路と第３の光導波路との間の出力を拡張するようにする。

材料は、コアからエッチングまたは研削によって除去されうる。光学モード変換器及び出力結合器の製造１３０１、１３０２は、ＣＭＯＳ互換性のあるウェハースケールプロセシングによって実行されうる。

本開示に従う偏光（ビーム）分離・回転器（ＰＳＲまたはＰＢＳＲ）は、全ての高性能受信器（例えばコヒーレント受信器）内で使用されうる。

独立したシリコン導波路を使用することで、窒化シリコン導波路を用いるオンチップＰＳＲは、受動機能に関してシリコン導波路と比較して優れた性能を有する。

本明細書で説明された方法、システム及びデバイスは、チップ、集積回路、またはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）の特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）内のハードウェア回路として実装されうる。本発明は、デジタル及び／またはアナログ電子回路内に実装可能である。

本開示の特定の特徴または態様は、複数の実装形態のただ１つに関して開示されたものでありうるが、そのような特徴または態様は、任意の所定のまたは特定の用途について望ましく、有利でありうるように、１つもしくは複数の他の特徴または他の実装形態の態様と結合されうる。さらに、「含む」、「有する」、「共に」との用語またはそれらの他の変形は、詳細な説明または特許請求の範囲のいずれかで用いられる限りにおいて、そのような用語は「含む」と同様な方法で包含的であることを意図される。さらに、「例示的な」、「例えば」、及び「など」との用語は、最良または最適なものではなく、一例を意味するにすぎない。「結合された」及び「接続された」との用語は、その派生語とともに用いられうる。これらの用語は、２つの要素が直接物理的または電気的に接触しているか、または互いに直接接触していないかに関わらず、互いに協調しまたは相互作用することを示すものとして使用されうるものであったことは理解されるべきである。

具体的な態様は、本明細書で図示され、説明されたが、様々な代替的な及び／または等価な実装形態が、本開示の範囲から逸脱することなく、図示され、説明された特定の態様に関して置き換えられうることは、当業者には理解されるであろう。本出願は、本明細書において議論された特定の態様の任意の最適化及び変化をカバーするものとして意図される。

以下の特許請求の範囲における要素は対応するラべリングを有して特定の順序で記載されたが、特許請求の範囲の記載が、そうでなければこれらの要素のいくつかまたは全てを実装する際の特定の順序を暗示するのでない限り、これらの要素は、必ずしも、そのような特定の順序で実装されていると限定されているものと意図するものではない。

多くの代替例、改良及び変更が、上述の教示に照らして当業者には明らかとなるであろう。もちろん、当業者は、本明細書に説明されたものを超えて、本発明の多数の応用例が存在することを容易に理解する。本発明は、１つ以上の特定の実施形態に関して説明された一方で、当業者は、多くの変化が、本発明の範囲から逸脱することなくなされうることを理解する。従って、添付された特許請求の範囲及びその等価物の範囲内で、本発明は本明細書において具体的に説明したもの以外の方法で実行されうることは理解されるべきである。

５００、９００ 偏光分離・回転デバイス
５０１、６００ａ モード変換区画
５０３ 分波器区画
５１１ 第１の光導波路
５１２ 第２の光導波路
５１３ 第３の光導波路
５１５、５１７ａ、５１７ｂ コア
５２１ 第１の長方形
５２３ａ、５２３ｂ 第２の長方形
６０２、６０４ａ、６０４ｂ、６０６、６０８ サブ区画
７００ 性能図
７０１ ＴＥ１モード
７０２ ＴＭ０モード
８００ａ 分波器区画
１３００ 偏光分離・回転デバイスを製造するための方法
１３０１ 光学モード変換器を製造する段階
１３０２ 出力結合器を製造する段階

図８ａから８ｃにおいて、分波器区画８００ａは、断熱分波器として設計され、ＳｉＮｘ導波路は約４００ｎｍの厚さである。構造の適切な設計によって、発生したＴＥ１モードは第１の出力ポートのＴＥ０モードに変換され（ＴＥ１からＴＥ０）、その一方ＴＥ０モードは導波路内にとどまり、第２の出力ポートへの経路をたどる。この実施形態において、３段階断熱結合器が用いられ、２つの導波路を分離するために出力上の２つの曲げ部を使用する。

Claims (15)

1. 第１の光導波路であって、前記第１の光導波路のコアが、前記第１の光導波路内に結合された偏光した光がゼロ次の横方向磁場モード（ＴＭ０）を１次の横方向電場モード（ＴＥ０）に変換させる一方で、ゼロ次の横方向電場モード（ＴＥ０）を変化させないようにするように、非対称に形成された第１の光導波路を含む光学モード変換器と、
   前記第１の光導波路に結合された第２の光導波路及び前記第２の光導波路に断熱結合された第３の光導波路と、を含む出力結合器であって、前記断熱結合が、前記第１の光導波路から前記第２の光導波路内に結合された前記偏光した光が、１次の横方向電場モード（ＴＥ１）をゼロ次の横方向電場モード（ＴＥ０）として前記第３の光導波路に結合し、ゼロ次の横方向電場モード（ＴＥ０）を、前記第３の光導波路に結合させることなく前記第２の光導波路内を伝搬させる状態を維持することによって、前記第２の光導波路と前記第３の光導波路との間で出力を拡張させる、出力結合器と、
   を含む、偏光分離・回転デバイス。
2. 前記第１の光導波路の前記コアの形状が、前記第１の光導波路の垂直軸及び／または水平軸に対して非対称である、請求項１に記載の偏光分離・回転デバイス。
3. 前記第１の光導波路の前記コアが、前記コアの非対称形状を形成する少なくとも１つのアブレーション部を含む、請求項１または２に記載の偏光分離・回転デバイス。
4. 前記第１の光導波路の前記コアが、第１の区画及び前記第１の区画と厚さの異なる第２の区画を含み、前記第１の区画及び前記第２の区画の異なる厚さが、前記コアの非対称形状を形成する、請求項１から３のいずれか一項に記載の偏光分離・回転デバイス。
5. 前記第１の光導波路の前記コアの断面が非対称である、請求項１から４のいずれか一項に記載の偏光分離・回転デバイス。
6. 前記第１の光導波路の前記コアの断面が、第１の長方形とは大きさの異なる第２の長方形の上部に配置された第１の長方形として形成された、請求項１から５のいずれか一項に記載の偏光分離・回転デバイス。
7. 前記第２の光導波路が、前記第１の光導波路の連続部である、請求項１から６のいずれか一項に記載の偏光分離・回転デバイス。
8. 前記第２の光導波路が対称形状である、請求項１から７のいずれか一項に記載の偏光分離・回転デバイス。
9. 前記第１の光導波路の前記コアが、前記第１の光導波路の長手方向のテーパー形状構造として形成された、請求項１から８のいずれか一項に記載の偏光分離・回転デバイス。
10. 前記第１の光導波路の前記コアが、１．８から２．５の範囲の屈折率を有する、請求項１から９のいずれか一項に記載の偏光分離・回転デバイス。
11. 前記第１の光導波路の前記コアが、窒化シリコン、ＳｉＯＮ、Ｔａ２Ｏ５、及びＴｉＯ２のうちの１つから形成された、請求項１から１０のいずれか一項に記載の偏光分離・回転デバイス。
12. 前記第１の光導波路の前記コアが、前記コア、特に二酸化シリコンからなるクラッディングと異なる屈折率を有するクラッディング内に埋め込まれた、請求項１から１１のいずれか一項に記載の偏光分離・回転デバイス。
13. 第１の光導波路のコアを形成し、前記コアから材料を除去して前記コアの非対称形状を形成し、クラッディング内に前記コアを埋め込むことにより、光学モード変換器を製造する段階であって、前記非対称形状が、前記第１の光導波路内に結合された偏光した光が、ゼロ次の横方向磁場モードを１次の横方向電場モードに変換する一方で、ゼロ次の横方向電場モードを変化しない状態のままに維持する、光学モード変換器を製造する段階と、
    第２の光導波路を前記第１の光導波路に結合し、第３の光導波路を前記第２の光導波路に断熱結合することによって出力結合器を製造する段階であって、前記断熱結合が、前記第１の光導波路から前記第２の光導波路に結合された偏光した光が、１次の横方向電場モードをゼロ次の横方向電場モードとして前記第３の光導波路内に結合し、ゼロ次の横方向電場モードが、前記第３の光導波路に結合することなく前記第２の光導波路内を伝搬する状態を維持することによって、前記第２の光導波路と前記第３の光導波路との間で出力を拡張させる、出力結合器を製造する段階と、
    を含む、偏光分離・回転デバイスを製造するための方法。
14. 前記材料が、エッチングによって前記コアから除去される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記光学モード変換器及び前記出力結合器を製造する段階が、ＣＭＯＳ互換性のあるウェハースケールプロセシングによって実行される、請求項１３または１４に記載の方法。