JP2018120168A - 光偏波回転素子及び光トランシーバ - Google Patents
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Abstract
【課題】反射損失の発生を抑制し、信頼性の高い光偏波回転素子を実現する。【解決手段】光偏波回転素子は、光伝搬方向に沿って、徐々に幅広となり、最大幅部分１１Ａを境界として徐々に幅狭となる第１コア１１ａと、第１コア１１ａの光伝搬方向に沿った末端と接続された第２コア１２ａとを有するコア層と、第１コア１１ａにおける光伝搬方向に沿った最大幅部分１１Ａの前方箇所から第２コア１２ａの末端に架けて、コア層に接続されたスラブ層１１ｂ，１２ｂとを備えている。【選択図】図１
Description
本発明は、光偏波回転素子及び光トランシーバに関するものである。
光偏波回転素子は、例えば、偏波多重光伝送システムにおいて、偏波した光信号の偏波状態を変換するために用いられる。光偏波回転素子では、偏波光からなる光信号の偏波面を回転させることにより、例えばＴＥモードの光信号がＴＭモードの光信号に変換される。具体的に、光偏波回転素子として、ＴＥ0モードの光信号が入射した場合には偏波面を回転することなくＴＥ0モードの光信号のままで出力され、ＴＭ0モードの光信号が入射した場合にはＴＥ1モードに偏波面を回転した光信号を出力するものがある。
H. Guan et. al,"High efficiency biwavelength polarization splitter rotator on the SOI platform" IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol. 27, No. 5, 518 (2015).
図１は、従来の光偏波回転素子の概略構成を示す模式図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）における破線Ｉ−Ｉ'及び破線ＩＩ−ＩＩ'に沿った断面図である。
この光偏波回転素子は、シリコン等の半導体からなり、チャネル導波路部１０１と、光偏波ローテータ部１０２と、方向性結合器１０３とを備えている。
この光偏波回転素子は、シリコン等の半導体からなり、チャネル導波路部１０１と、光偏波ローテータ部１０２と、方向性結合器１０３とを備えている。
チャネル導波路部１０１は、横断面形状が矩形状で一定幅に形成された光導波路コアである。光偏波ローテータ部１０２は、光導波路コア１０２ａと、その両側部に接続された光導波路コア１０２ａよりも薄いスラブ層１０２ｂとを有している。光導波路コア１０２ａは、横断面形状が矩形状あり、光伝搬方向に沿って、チャネル導波路部１０１の末端から徐々に幅広となるテーパ状に形成されている。スラブ層１０２ｂは、光伝搬方向に沿って、その幅がチャネル導波路部１０１の末端から始まり徐々に幅広となるテーパ状に形成されている。スラブ層１０２ｂは、理想的には、光偏波ローテータ部１０２の先端において無限小のスラブ層幅によるリブチャネル変換が行われる。方向性結合器１０３は、第１導波路１０３ａと、これと所定距離（ギャップ）だけ離間して並行して設けられた第２導波路１０３ｂとを有している。
チャネル導波路部１０１、光偏波ローテータ部１０２、及び方向性結合器１０３の第１導波路１０３ａが、１本の光導波路コアとして一体形成されている。方向性結合器１０３の第２導波路１０３ｂが、上記の光導波路コアと独立した１本の光導波路として形成されている。
この光偏波回転素子においては、ＴＥ0モードの光信号が入力された場合には、ＴＥ0モードの光信号のまま方向性結合器１０３の第１コア１０３ａの末端から出力される。一方、ＴＭ0モードの光信号が入力された場合には、光偏波ローテータ部１０２で先ずＴＥ1モードに変換され、更に方向性結合器１０３でＴＥ0モードの光信号に変換されて、第２コア１０３ｂの末端から出力される。
図２は、従来の光偏波回転素子における光偏波回転について説明する図であり、（ａ）が光偏波ローテータ部における各位置を示す模式図、（ｂ）が（ａ）の各位置と屈折率との関係を示す特性図である。
図２（ｂ）のように、ＴＥ0モードの光信号は、他のモードとのカップリングが生じることなく、そのまま伝搬する。これに対して、ＴＭ0モードの光信号は、ＴＥ1モードとＴＭ0モードとが混成したハイブリッドモードを経た後、ＴＥ1モードの光信号に変換される（非特許文献１を参照）。
図２（ｂ）のように、ＴＥ0モードの光信号は、他のモードとのカップリングが生じることなく、そのまま伝搬する。これに対して、ＴＭ0モードの光信号は、ＴＥ1モードとＴＭ0モードとが混成したハイブリッドモードを経た後、ＴＥ1モードの光信号に変換される（非特許文献１を参照）。
しかしながら、従来の光偏波回転素子には、以下のような問題がある。
この光偏波回転素子において、チャネル導波路部と光偏波ローテータ部との境界部分（リブチャネル変換部分）では、理想的にはスラブ層の幅は無限小値である。ところが実際上は、光偏波回転素子を作製する際に用いるマスクパターンの位置合せ精度には限界があり、スラブ層はリブチャネル変換部分で有限幅を持つことになる。光偏波ローテータ部は光伝播方向に沿って徐々に幅広となる形状とされていることから、リブチャネル変換部分におけるコア幅は小さい。このように光導波路コアの幅狭箇所でスラブ層に幅が急峻に変化する部分が存在すると、当該部分で反射損失が増大する。
この光偏波回転素子において、チャネル導波路部と光偏波ローテータ部との境界部分（リブチャネル変換部分）では、理想的にはスラブ層の幅は無限小値である。ところが実際上は、光偏波回転素子を作製する際に用いるマスクパターンの位置合せ精度には限界があり、スラブ層はリブチャネル変換部分で有限幅を持つことになる。光偏波ローテータ部は光伝播方向に沿って徐々に幅広となる形状とされていることから、リブチャネル変換部分におけるコア幅は小さい。このように光導波路コアの幅狭箇所でスラブ層に幅が急峻に変化する部分が存在すると、当該部分で反射損失が増大する。
また、マスクパターンの位置合せ精度に起因して、リブチャネル変換部において光導波路コアの左右の側面でスラブ層に段差が生じることがある。この場合、スラブ層が光導波路コアの一方の側面にしかない部分が形成され、スラブ層のない他方の側面にはエッチングによる荒れが発生することがあり、更なる反射損失が惹起されるという問題もある。
本発明は、反射損失の発生を抑制し、信頼性の高い光偏波回転素子及びこれを適用した光トランシーバを提供することを目的とする。
一つの観点では、光偏波回転素子は、光伝搬方向に沿って、徐々に幅広となり、最大幅部分を境界として徐々に幅狭となる第１コアと、前記第１コアの光伝搬方向に沿った末端と接続された第２コアとを有するコア層と、前記第１コアにおける光伝搬方向に沿った前記最大幅部分の前方箇所から前記第２コアの末端に架けて、前記コア層に接続されたスラブ層とを備えている。
一つの観点では、光トランシーバは、光送信器と光受信機とを備えており、前記光受信器は、入力光をＴＥ偏光とＴＭ偏光とに分割する光偏波分割素子と、偏波光の偏波面を回転して出力する光偏波回転素子とを有しており、前記光偏波回転素子は、光伝搬方向に沿って、徐々に幅広となり、最大幅部分を境界として徐々に幅狭となる第１コアと、前記第１コアの光伝搬方向に沿った末端と接続された第２コアとを有するコア層と、前記第１コアにおける光伝搬方向に沿った前記最大幅部分の前方箇所から前記第２コアの末端に架けて、前記コア層の側面に接続されたスラブ層とを備えている。
一つの側面では、反射損失の発生を抑制し、信頼性の高い光偏波回転素子、及びこの光偏波回転素子を適用した光トランシーバが実現する。
以下、好適な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
［第１の実施形態］
本実施形態では、光偏波回転素子を開示し、その構成及び製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。
本実施形態では、光偏波回転素子を開示し、その構成及び製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。
（光偏波回転素子の構成）
図３は、本実施形態による光偏波回転素子の構成を示す概略平面図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）における破線Ｉ−Ｉ'及び破線ＩＩ−ＩＩ'に沿った断面図である。
この光偏波回転素子は、シリコン等の半導体からなり、リブチャネル変換部１１と、光偏波ローテータ部１２と、方向性結合器１３とを備えている。
図３は、本実施形態による光偏波回転素子の構成を示す概略平面図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）における破線Ｉ−Ｉ'及び破線ＩＩ−ＩＩ'に沿った断面図である。
この光偏波回転素子は、シリコン等の半導体からなり、リブチャネル変換部１１と、光偏波ローテータ部１２と、方向性結合器１３とを備えている。
リブチャネル変換部１１は、第１コア１１ａ及び第１スラブ１１ｂを備えている。
第１コア１１ａは、横断面形状が矩形状であって、光伝搬方向に沿って、徐々に幅広となる第１部分１１ａ１と、最大幅部分１１Ａを境界として徐々に幅狭となる第２部分１１ａ２とを有している。
第１スラブ１１ｂは、光伝搬方向に沿った最大幅部分１１Ａの前方箇所、ここでは最大幅部分１１Ａから第２部分１１ａ２の末端に架けて第２部分１１ａ２の両側部に、作製プロセスにおける重ね合わせ露光の位置合わせ誤差を考慮して一定幅で接続されている。
第１コア１１ａは、横断面形状が矩形状であって、光伝搬方向に沿って、徐々に幅広となる第１部分１１ａ１と、最大幅部分１１Ａを境界として徐々に幅狭となる第２部分１１ａ２とを有している。
第１スラブ１１ｂは、光伝搬方向に沿った最大幅部分１１Ａの前方箇所、ここでは最大幅部分１１Ａから第２部分１１ａ２の末端に架けて第２部分１１ａ２の両側部に、作製プロセスにおける重ね合わせ露光の位置合わせ誤差を考慮して一定幅で接続されている。
光偏波ローテータ部１２は、第２コア１２ａ及び第２スラブ１２ｂを有している。
第２コア１２ａは、光伝搬方向に沿って、徐々に幅広とされている第１部分１２ａ１と、第１部分１２ａ１よりも大きい割合（大きいテーパ角）で徐々に幅広とされている第２部分１２ａ２とを有している。第１スラブ１１ｂの幅は、第２コア１２ａの最小幅、即ち第２コア１２ａの先端の幅以下とされている。
第２スラブ１２ｂは、光伝搬方向に沿って、第１部分１２ａ１に接続された部分であって徐々に幅広とされている第１部分１２ｂ１と、第２部分１２ａ２に接続された部分であって徐々に幅狭とされている第２部分１２ｂ２とを有している。
第２コア１２ａは、光伝搬方向に沿って、徐々に幅広とされている第１部分１２ａ１と、第１部分１２ａ１よりも大きい割合（大きいテーパ角）で徐々に幅広とされている第２部分１２ａ２とを有している。第１スラブ１１ｂの幅は、第２コア１２ａの最小幅、即ち第２コア１２ａの先端の幅以下とされている。
第２スラブ１２ｂは、光伝搬方向に沿って、第１部分１２ａ１に接続された部分であって徐々に幅広とされている第１部分１２ｂ１と、第２部分１２ａ２に接続された部分であって徐々に幅狭とされている第２部分１２ｂ２とを有している。
方向性結合器１３は、第２コア１２ａに接続された第１導波路１３ａと、これと所定距離（ギャップ）だけ離間して並行して設けられた第２導波路１３ｂとを有している。
この光偏波回転素子では、リブチャネル変換部１１、光偏波ローテータ部１２、及び方向性結合器１３の第１導波路１３ａが、１本の光導波路として一体形成されている。方向性結合器１３の第２導波路１３ｂが、上記の光導波路と独立した１本の光導波路コアとして形成されている。ここで、リブチャネル変換部１１の第１コア１１ａ、光偏波ローテータ部１２の第２コア１２ａ、及び方向性結合器１３の第１導波路１３ａが、１本のコア層として一体形成されている。リブチャネル変換部１１の第１スラブ１１ｂ及び光偏波ローテータ部１２の第２スラブ１２ｂが、１本のスラブ層として一体形成されている。
この光偏波回転素子では、リブチャネル変換部１１、光偏波ローテータ部１２、及び方向性結合器１３の第１導波路１３ａが、１本の光導波路として一体形成されている。方向性結合器１３の第２導波路１３ｂが、上記の光導波路と独立した１本の光導波路コアとして形成されている。ここで、リブチャネル変換部１１の第１コア１１ａ、光偏波ローテータ部１２の第２コア１２ａ、及び方向性結合器１３の第１導波路１３ａが、１本のコア層として一体形成されている。リブチャネル変換部１１の第１スラブ１１ｂ及び光偏波ローテータ部１２の第２スラブ１２ｂが、１本のスラブ層として一体形成されている。
図４は、本実施形態による光偏波回転素子のモード変換について示す平面図である。
この光偏波回転素子においては、リブチャネル変換部１１の先端から所定モードの光信号が入力される。ＴＥ0モードの光信号が入力された場合には、ＴＥ0モードの光信号のまま方向性結合器１３の第１コア１３ａの末端から出力される。一方、ＴＭ0モードの光信号が入力された場合には、光偏波ローテータ部１２で先ずＴＥ1モードに変換され、更に方向性結合器１３でＴＥ0モードの光信号に変換されて、第２コア１３ｂの末端から出力される。
この光偏波回転素子においては、リブチャネル変換部１１の先端から所定モードの光信号が入力される。ＴＥ0モードの光信号が入力された場合には、ＴＥ0モードの光信号のまま方向性結合器１３の第１コア１３ａの末端から出力される。一方、ＴＭ0モードの光信号が入力された場合には、光偏波ローテータ部１２で先ずＴＥ1モードに変換され、更に方向性結合器１３でＴＥ0モードの光信号に変換されて、第２コア１３ｂの末端から出力される。
本実施形態による光偏波回転素子では、リブチャネル変換部１１において、（１）第１コア１１ａの第１部分１１ａ１が最大幅部分１１Ａまで徐々に幅広となる形状とされ、（２）第１スラブ１１ｂが最大幅部分１１Ａの前方箇所から第１コア１１ａの末端に架けて形成されている。（１）の構成では、光入力部から徐々に幅広となるコア形状により、反射損失が抑制される。（２）の構成では、最大幅部分１１Ａの近傍である前方箇所において、当該前方箇所における第１コア１１ａの幅が第１コア１１ａの末端（第２コア１２ａの先端）よりも広い。この場合、前方箇所が第１スラブ１１ｂの幅が急峻に変化する部分であるところ、前方箇所が幅広であるため、前方箇所における反射損失が抑制される。このように、（１），（２）の構成が相俟って、前方箇所においてリブチャネル変換部分としてスラブ層幅が急峻に変化する部分が存在しても、反射損失の発生が可及的に抑えられることになる。
本実施形態による光偏波回転素子では、リブチャネル変換部１１の第１スラブ１１ｂの幅は、光偏波ローテータ部１２の第２コア１２ａの最小幅、即ち第２コア１２ａの先端の幅以下とされている。第１スラブ１１ｂの幅を広くすると、リブチャネル変換部１１でも光偏波回転が生じてしまう。この場合、光偏波ローテータ部１２の第２コア１２ａの先端では、ＴＥ1モードはカットオフとなっているため、変換されたＴＥ1モードは光損失となる。本実施形態では、第１スラブ１１ｂの幅を上記のように狭くすることにより、リブチャネル変換部１１における光偏波回転及びそれに伴う光損失の発生が抑止される。
本実施形態による光偏波回転素子では、光偏波ローテータ部１２において、第２コア１２ａは、第１部分１２ａ１では、光伝搬方向に沿って徐々に幅広とされている。第２スラブ１２ｂは、第１部分１２ｂ１では光伝搬方向に沿って徐々に幅広とされている。この構成により、所期の光偏波回転を確実に得ることができる。
また、光偏波ローテータ部１２において、第２コア１２ａは、第１部分１２ａ１と接続された第２部分１２ａ２では、光伝搬方向に沿って第１部分１２ａ１よりも大きい割合で徐々に幅広とされている。光偏波回転素子において、第２部分１２ａ２の末端以降の部位では、光偏波回転は生じない。そのため、第２部分１２ａ２では第１部分１２ａ１よりもテーパ角を大きくすることにより、光偏波回転素子の全体の素子長が短縮されている。
また、光偏波ローテータ部１２において、第２コア１２ａは、第１部分１２ａ１と接続された第２部分１２ａ２では、光伝搬方向に沿って第１部分１２ａ１よりも大きい割合で徐々に幅広とされている。光偏波回転素子において、第２部分１２ａ２の末端以降の部位では、光偏波回転は生じない。そのため、第２部分１２ａ２では第１部分１２ａ１よりもテーパ角を大きくすることにより、光偏波回転素子の全体の素子長が短縮されている。
（光偏波回転素子の製造方法）
図５〜図７は、本実施形態による光偏波回転素子の製造方法について工程順に示す概略断面図である。
図５〜図７は、本実施形態による光偏波回転素子の製造方法について工程順に示す概略断面図である。
先ず、図５（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板２１上にレジストマスク２２を形成する。
詳細には、ＳＯＩ基板２１のシリコン層２１ａ上にシリコン酸化膜２１ｂが形成されたＳＯＩ基板２１を用意し、シリコン酸化膜２１ｂ上にレジストを塗布する。レジストを電子線リソグラフィーにより加工し、レジストマスク２２を形成する。レジストマスク２２は、リブチャネル変換部１１、光偏波ローテータ部１２、及び方向性結合器１３の第１導波路１３ａの１本の光導波路コアに対応する第１マスク２２ａと、方向性結合器１３の第２導波路１３ｂに対応する第２マスク２２ｂとからなる。
詳細には、ＳＯＩ基板２１のシリコン層２１ａ上にシリコン酸化膜２１ｂが形成されたＳＯＩ基板２１を用意し、シリコン酸化膜２１ｂ上にレジストを塗布する。レジストを電子線リソグラフィーにより加工し、レジストマスク２２を形成する。レジストマスク２２は、リブチャネル変換部１１、光偏波ローテータ部１２、及び方向性結合器１３の第１導波路１３ａの１本の光導波路コアに対応する第１マスク２２ａと、方向性結合器１３の第２導波路１３ｂに対応する第２マスク２２ｂとからなる。
続いて、図５（ｂ）に示すように、ハードマスク２３を形成する。
詳細には、レジストマスク２２を用いて、シリコン層２１ａの表面が露出するまでシリコン酸化膜２１ｂをドライエッチングする。これにより、シリコン酸化膜２１ｂからなるハードマスク２３が形成される。ハードマスク２３は、第１マスク２２ａに対応する第１マスク２３ａと、第２マスク２２ｂに対応する第２マスク２３ｂとからなる。
レジストマスク２２は、アッシング処理又は薬液処理により除去される。
詳細には、レジストマスク２２を用いて、シリコン層２１ａの表面が露出するまでシリコン酸化膜２１ｂをドライエッチングする。これにより、シリコン酸化膜２１ｂからなるハードマスク２３が形成される。ハードマスク２３は、第１マスク２２ａに対応する第１マスク２３ａと、第２マスク２２ｂに対応する第２マスク２３ｂとからなる。
レジストマスク２２は、アッシング処理又は薬液処理により除去される。
続いて、図６（ａ）に示すように、シリコン層２１ａをエッチングする。
詳細には、ハードマスク２３を用いて、シリコン層２１ａをその膜厚方向の途中までドライエッチングする。図６（ａ）におけるハードマスク２３の周辺のシリコン層２１ａは、図５（ｂ）におけるハードマスク２３の周辺のシリコン層２１ａよりも薄い厚みとされる。
ハードマスク２３は、薬液処理により除去される。
詳細には、ハードマスク２３を用いて、シリコン層２１ａをその膜厚方向の途中までドライエッチングする。図６（ａ）におけるハードマスク２３の周辺のシリコン層２１ａは、図５（ｂ）におけるハードマスク２３の周辺のシリコン層２１ａよりも薄い厚みとされる。
ハードマスク２３は、薬液処理により除去される。
続いて、図６（ｂ）に示すように、レジストパターン２４を形成する。
詳細には、シリコン層２１ａの全面にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工する。これにより、レジストパターン２４が形成される。レジストパターン２４は、その端部２４Ａが、重ね合わせ露光の位置合わせ誤差を見込んで、余裕を持たせた所定幅となるように形成される。レジストマスク２４は、リブチャネル変換部１１、光偏波ローテータ部１２、及び方向性結合器１３の第１導波路１３ａの１本の光導波路に対応する第１マスク２４ａと、方向性結合器１３の第２導波路１３ｂに対応する第２マスク２４ｂとからなる。
詳細には、シリコン層２１ａの全面にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工する。これにより、レジストパターン２４が形成される。レジストパターン２４は、その端部２４Ａが、重ね合わせ露光の位置合わせ誤差を見込んで、余裕を持たせた所定幅となるように形成される。レジストマスク２４は、リブチャネル変換部１１、光偏波ローテータ部１２、及び方向性結合器１３の第１導波路１３ａの１本の光導波路に対応する第１マスク２４ａと、方向性結合器１３の第２導波路１３ｂに対応する第２マスク２４ｂとからなる。
続いて、図７（ａ）に示すように、シリコン層２１ａをエッチングする。
詳細には、レジストパターン２４を用いて、シリコン層２１ａをその膜厚方向に全て（シリコン層２１ａ下のシリコン酸化膜２１ｃが露出するまで）ドライエッチングする。このとき、レジストパターン２４により、リブチャネル変換部１１の第１スラブ１１ｂは、最大幅部分１１Ａにおいて、重ね合わせ露光の位置合わせ誤差を見込んで余裕を持たせた所定幅に形成される。
詳細には、レジストパターン２４を用いて、シリコン層２１ａをその膜厚方向に全て（シリコン層２１ａ下のシリコン酸化膜２１ｃが露出するまで）ドライエッチングする。このとき、レジストパターン２４により、リブチャネル変換部１１の第１スラブ１１ｂは、最大幅部分１１Ａにおいて、重ね合わせ露光の位置合わせ誤差を見込んで余裕を持たせた所定幅に形成される。
続いて、図７（ｂ）に示すように、レジストパターン２４をアッシング処理又は薬液処理により除去する。
以上により、ＳＯＩ基板２１上に本実施形態による光偏波回転素子が形成される。
以上により、ＳＯＩ基板２１上に本実施形態による光偏波回転素子が形成される。
本実施形態では、リブチャネル変換部１１の第１スラブ１１ｂについて、最大幅部分１１Ａにおいて重ね合わせ露光の位置合わせ誤差を見込んで余裕を持たせて所定幅に形成する。この場合、最大幅部分１１Ａにおいて、第１スラブ１１ｂの幅が急峻に変化するリブチャネル変換部分が形成されるが、第１コア１１ａでは最大幅部分１１Ａが他の部位のコア幅よりも幅広に形成されるため、反射損失が抑制される。
（実施例）
以下、第１の実施形態による光偏波回転素子について、各部の寸法の一例を具体的に示した実施例について説明する。
図８は、本実施例による光偏波回転素子の一例を示す概略平面図である。
この光偏波回転素子は、例えば波長１．５５μｍの入力光を想定した設計とされている。コア高さは０．２２μｍ程度、スラブ層厚は０．１μｍ程度とされている。
以下、第１の実施形態による光偏波回転素子について、各部の寸法の一例を具体的に示した実施例について説明する。
図８は、本実施例による光偏波回転素子の一例を示す概略平面図である。
この光偏波回転素子は、例えば波長１．５５μｍの入力光を想定した設計とされている。コア高さは０．２２μｍ程度、スラブ層厚は０．１μｍ程度とされている。
リブチャネル変換部１１については、第１コア１１ａの第１部分１１ａ１の入力部幅（最小幅）が０．４９μｍ程度、長さが５０μｍ程度とされ、最大幅部分１１Ａの幅（最大幅）が２μｍ程度とされている。最大幅がこの程度確保されることにより、第１スラブ１１ｂの幅に急峻な変化が生じても、反射損失が抑制される。第１コア１１ａの第２部分１１ａ２の末端幅が０．４μｍ程度、長さが１０μｍ程度とされている。第２部分１１ａ２は、その長さを小さくし過ぎると、第２部分１１ａ２の側壁における光散乱損失が増大する。一方、その長さを大きくし過ぎると、リブチャネル変換部１１における不要なＴＥ1モードへの変換が生じ易くなる。そこで、このようなトレードオフの関係を考慮して、第２部分１１ａ２の長さは例えば１０μｍ程度とされている。第１スラブ１１ｂの幅は、作製プロセスにおける重ね合わせ露光の位置合わせ誤差程度の０．１μｍ程度の一定値とされている。
光偏波ローテータ部１２については、長さが１００μｍ程度、第２コア１２ａの第１部分１２ａ１の末端幅が０．６５μｍ程度、第２部分１２ａ２の末端幅が１．４５μｍ程度とされている。第２スラブ１２ｂは、０．１μｍ程度の先端幅から徐々に幅広となり、第２部分１２ａ２の両側部で徐々に幅狭となって末端幅が０．１μｍ程度とされている。偏波ローテータ１２の先端では、ＴＥ0モード及びＴＭ0モードが許容モードとされており、ＴＥ１モードはカットオフとなる。
方向性結合器１３については、結合長が５０μｍ程度されており、第１コア１３ａの幅が１．２５μｍ程度、第２コア１３ｂの幅が０．６１μｍ程度、第１コア１３ａと第２コア１３ｂのギャップが０．１２μｍ程度とされている。この方向性結合器１３では、第１コア１３ａの屈折率と第２コア１３ｂの屈折率とが略同じであるため、結合長を調整することにより、第１コア１３ａのＴＥ1モードの信号光をＴＥ0モードの信号光として第２コア１３ｂから取り出すことができる。なお、ＴＥ0モードの信号光については、上記の結合長ではモードの移行が起こることはなく、そのまま通過する。
（変形例）
以下、第１の実施形態の変形例について説明する。本変形例では、第１の実施形態と同様に光偏波回転素子を開示するが、そのスラブ層の形状が一部異なる点で第１の実施形態と相違する。
図９は、第１の実施形態の変形例の概略構成を示す平面図である。なお、変形例による光偏波回転素子は、リブチャネル変換部以外の構成は第１の実施形態による光偏波回転素子と同様であり、第１の実施形態による光偏波回転素子と同じ構成部材については同符号を付して詳しい説明を省略する。
以下、第１の実施形態の変形例について説明する。本変形例では、第１の実施形態と同様に光偏波回転素子を開示するが、そのスラブ層の形状が一部異なる点で第１の実施形態と相違する。
図９は、第１の実施形態の変形例の概略構成を示す平面図である。なお、変形例による光偏波回転素子は、リブチャネル変換部以外の構成は第１の実施形態による光偏波回転素子と同様であり、第１の実施形態による光偏波回転素子と同じ構成部材については同符号を付して詳しい説明を省略する。
この光偏波回転素子は、シリコン等の半導体からなり、リブチャネル変換部３１と、光偏波ローテータ部１２と、方向性結合器１３とを備えている。
リブチャネル変換部３１、光偏波ローテータ部１２、及び方向性結合器１３の第１導波路１３ａが、１本の光導波路として一体形成されている。方向性結合器１３の第２導波路１３ｂが、上記の光導波路と独立した１本の光導波路コアとして形成されている。
リブチャネル変換部３１、光偏波ローテータ部１２、及び方向性結合器１３の第１導波路１３ａが、１本の光導波路として一体形成されている。方向性結合器１３の第２導波路１３ｂが、上記の光導波路と独立した１本の光導波路コアとして形成されている。
リブチャネル変換部３１は、第１コア３１ａ及び第１スラブ３１ｂを備えている。
第１コア３１ａは、横断面形状が矩形状であって、光伝搬方向に沿って、徐々に幅広となる第１部分３１ａ１と、最大幅部分３１Ａを境界として徐々に幅狭となる第２部分３１ａ２とを有している。
第１スラブ３１ｂは、光伝搬方向に沿った最大幅部分３１Ａの前方箇所、ここでは最大幅部分３１Ａから第２部分３１ａ２の末端に架けて第２部分３１ａ２の両側部に、最大幅部分３１Ａから徐々に幅広とされている。即ち第１スラブ３１ｂは、理想的には最大幅部分３１Ａで無減少幅であり、末端（例えば幅０．１μｍ程度）に向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状に形成されている。
第１コア３１ａは、横断面形状が矩形状であって、光伝搬方向に沿って、徐々に幅広となる第１部分３１ａ１と、最大幅部分３１Ａを境界として徐々に幅狭となる第２部分３１ａ２とを有している。
第１スラブ３１ｂは、光伝搬方向に沿った最大幅部分３１Ａの前方箇所、ここでは最大幅部分３１Ａから第２部分３１ａ２の末端に架けて第２部分３１ａ２の両側部に、最大幅部分３１Ａから徐々に幅広とされている。即ち第１スラブ３１ｂは、理想的には最大幅部分３１Ａで無減少幅であり、末端（例えば幅０．１μｍ程度）に向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状に形成されている。
この光偏波回転素子では、リブチャネル変換部３１、光偏波ローテータ部１２、及び方向性結合器１３の第１導波路１３ａが、１本の光導波路として一体形成されている。方向性結合器１３の第２導波路１３ｂが、上記の光導波路と独立した１本の光導波路コアとして形成されている。ここで、リブチャネル変換部３１の第１コア３１ａ、光偏波ローテータ部１２の第２コア１２ａ、及び方向性結合器１３の第１導波路１３ａが、１本のコア層として一体形成されている。リブチャネル変換部３１の第１スラブ３１ｂ及び光偏波ローテータ部１２の第２スラブ１２ｂが、１本のスラブ層として一体形成されている。
変形例による光偏波回転素子では、リブチャネル変換部位となる第１スラブ３１ｂの先端が可及的に幅狭とされているため、更なる反射損失の抑制が実現される。
この光偏波回転素子を作製する際には、重ね合わせ露光の位置合わせ誤差が存在することから、実際には第１スラブ３１ｂの先端を無減少幅とすることはできない。そのため、第１スラブ３１ｂの先端は、最大幅部分３１Ａの前方箇所で幅が急峻に変化するように形成されたり、第１コア３１ａの第２部分３１ａ２の左右の側面で段差が生じることがある。この場合でも、第１コア３１ａにおいて、最大幅部分３１Ａが他の部位のコア幅よりも幅広に形成されるため、反射損失が抑制されることになる。
この光偏波回転素子を作製する際には、重ね合わせ露光の位置合わせ誤差が存在することから、実際には第１スラブ３１ｂの先端を無減少幅とすることはできない。そのため、第１スラブ３１ｂの先端は、最大幅部分３１Ａの前方箇所で幅が急峻に変化するように形成されたり、第１コア３１ａの第２部分３１ａ２の左右の側面で段差が生じることがある。この場合でも、第１コア３１ａにおいて、最大幅部分３１Ａが他の部位のコア幅よりも幅広に形成されるため、反射損失が抑制されることになる。
なお、第１の実施形態及び変形例では、光偏波回転素子はＳＯＩ基板のシリコン層から形成される場合を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、シリコン層の替わりにＩｎＰ等の他の半導体を用いて光偏波回転素子を形成しても良い。半導体以外にも、例えばガラス等を用いることも可能である。
（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態及び変形例から選ばれた一種の光偏波回転素子を備えた光トランシーバを例示する。
本実施形態では、第１の実施形態及び変形例から選ばれた一種の光偏波回転素子を備えた光トランシーバを例示する。
図１０は、第２の実施形態による光トランシーバの概略構成を示す模式図である。
この光トランシーバは、光送信器（Ｔｘ）４１及び光受信器（Ｒｘ）５１を備えている。
この光トランシーバは、光送信器（Ｔｘ）４１及び光受信器（Ｒｘ）５１を備えている。
光送信器４１は、レーザ４２、スプリッタ４３、ＩＱ変調器４４ａ，４４ｂ、及び偏波回転素子４５、及びカプラ４６を有している。
レーザ４２は、ＴＥ偏光のレーザ光を発振する。スプリッタ４３は、レーザ４２から出力されたレーザ光を２つに分岐する。ＩＱ変調器４４ａ，４４ｂは、ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）変調を行う。偏波回転素子４５は、第１の実施形態及び変形例から選ばれた一種の偏波回転素子である。カプラ４６は、レーザ光を合波して出力する。
レーザ４２は、ＴＥ偏光のレーザ光を発振する。スプリッタ４３は、レーザ４２から出力されたレーザ光を２つに分岐する。ＩＱ変調器４４ａ，４４ｂは、ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）変調を行う。偏波回転素子４５は、第１の実施形態及び変形例から選ばれた一種の偏波回転素子である。カプラ４６は、レーザ光を合波して出力する。
光送信器４１では、レーザ４２から出力されたＴＥ偏光はスプリッタ４３で２つのＴＭ偏光に分岐され、ＩＱ変調器４４ａ，４４ｂにそれぞれ入力する。ＩＱ変調器４４ａ，４４ｂでＱＡＭ変調されたＴＥ偏光は、偏波回転素子４５においてＩＱ変調器４４ｂからのＴＭ偏光のみ偏波が回転してＴＭ偏光とされる。ＩＱ変調器４４ａからのＴＥ偏光と、偏波回転素子４５によるＴＭ偏光とがカプラ４６で合波され、出力シグナルとして出力される。
光受信器５１は、入力シグナルにＴＥ偏光とＴＭ偏光とが混合しているため、双方の偏光成分を受光するものであり、光偏波分割素子５２、光偏波回転素子５３、及び受光器５４ａ，５４ｂを有している。
光偏波分割素子５２は、入力シグナルをＴＥ偏光とＴＭ偏光とに分割する。偏波回転素子５３は、第１の実施形態及び変形例から選ばれた一種の偏波回転素子である。受光器５４ａ，５４ｂは、光偏波分割素子５２及び偏波回転素子５３からの光を受光する。
光偏波分割素子５２は、入力シグナルをＴＥ偏光とＴＭ偏光とに分割する。偏波回転素子５３は、第１の実施形態及び変形例から選ばれた一種の偏波回転素子である。受光器５４ａ，５４ｂは、光偏波分割素子５２及び偏波回転素子５３からの光を受光する。
光受信器５１では、ＴＥ偏光とＴＭ偏光とが混合する入力シグナルが光偏波分割素子５２でＴＥ偏光とＴＭ偏光とに分割される。ＴＥ偏光は、受光器５４ａで受光される。ＴＭ偏光は、偏波回転素子５３において偏波が回転してＴＭ偏光とされ、受光器５４ｂで受光される。
本実施形態によれば、反射損失の発生を抑制する光偏波回転素子４５，５３を備えた信頼性の高い光トランシーバが実現する。
以下、光偏波回転素子及び光トランシーバの諸態様について、付記としてまとめて記載する。
（付記１）光伝搬方向に沿って、徐々に幅広となり、最大幅部分を境界として徐々に幅狭となる第１コアと、前記第１コアの光伝搬方向に沿った末端と接続された第２コアとを有するコア層と、
前記第１コアにおける光伝搬方向に沿った前記最大幅部分の前方箇所から前記第２コアの末端に架けて、前記コア層に接続されたスラブ層と
を備えたことを特徴とする光偏波回転素子。
前記第１コアにおける光伝搬方向に沿った前記最大幅部分の前方箇所から前記第２コアの末端に架けて、前記コア層に接続されたスラブ層と
を備えたことを特徴とする光偏波回転素子。
（付記２）前記スラブ層は、前記第１コアに接続された部分で一定幅とされていることを特徴とする付記１に記載の光偏波回転素子。
（付記３）前記スラブ層は、前記第１コアに接続された部分が光伝搬方向に沿って前記最大幅部分の前方箇所から徐々に幅広とされていることを特徴とする付記１に記載の光偏波回転素子。
（付記４）前記スラブ層は、前記第２コアに接続された部分が光伝搬方向に沿って前記第２コアの少なくとも途中まで徐々に幅広とされていることを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の光偏波回転素子。
（付記５）前記スラブ層は、前記第１コアに接続された部分の幅が前記第２コアの最小幅以下とされていることを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載の光偏波回転素子。
（付記６）前記第２コアは、光伝搬方向に沿って徐々に幅広とされていることを特徴とする付記１〜５のいずれか１項に記載の光偏波回転素子。
（付記７）前記第２コアは、光伝搬方向に沿って、徐々に幅広とされている第１部分と、前記第１部分よりも大きい割合で徐々に幅広とされている第２部分とを有することを特徴とする付記１〜６のいずれか１項に記載の光偏波回転素子。
（付記８）前記第２コアの末端に接続された第３コアと、前記第３コアと離間して並行して配された第４コアとを有する方向性結合器を備えており、
前記第３コアは、前記第４コアよりも幅広とされていることを特徴とする付記１〜７のいずれか１項に記載の光偏波回転素子。
前記第３コアは、前記第４コアよりも幅広とされていることを特徴とする付記１〜７のいずれか１項に記載の光偏波回転素子。
（付記９）光送信器と、
光受信器と
を備えており、
前記光受信器は、入力光をＴＥ偏光とＴＭ偏光とに分割する光偏波分割素子と、偏波光の偏波面を回転して出力する光偏波回転素子とを有しており、
前記光偏波回転素子は、
光伝搬方向に沿って、徐々に幅広となり、最大幅部分を境界として徐々に幅狭となる第１コアと、前記第１コアの光伝搬方向に沿った末端と接続された第２コアとを有するコア層と、
前記第１コアにおける光伝搬方向に沿った前記最大幅部分の前方箇所から前記第２コアの末端に架けて、前記コア層の側面に接続されたスラブ層と
を備えたことを特徴とする光トランシーバ。
光受信器と
を備えており、
前記光受信器は、入力光をＴＥ偏光とＴＭ偏光とに分割する光偏波分割素子と、偏波光の偏波面を回転して出力する光偏波回転素子とを有しており、
前記光偏波回転素子は、
光伝搬方向に沿って、徐々に幅広となり、最大幅部分を境界として徐々に幅狭となる第１コアと、前記第１コアの光伝搬方向に沿った末端と接続された第２コアとを有するコア層と、
前記第１コアにおける光伝搬方向に沿った前記最大幅部分の前方箇所から前記第２コアの末端に架けて、前記コア層の側面に接続されたスラブ層と
を備えたことを特徴とする光トランシーバ。
１１，３１ リブチャネル変換部
１１ａ，３１ａ 第１コア
１１ａ１，１２ａ１，１２ｂ１，３１ａ１ 第１部分
１１ａ２，１２ａ２，１２ｂ２，３１ａ２ 第２部分
１１ｂ，３１ｂ 第１スラブ
１１Ａ，３１Ａ 最大幅部分
１２，１０２ 光偏波ローテータ部
１２ａ 第２コア
第１部分
１２ｂ 第２スラブ
１３，１０３ 方向性結合器
１３ａ，１０３ａ 第１導波路
１３ｂ，１０３ｂ 第２導波路
２１ ＳＯＩ基板
２１ａ シリコン膜
２１ｂ，２１ｃ シリコン酸化膜
２２，２４ レジストマスク
２２ａ，２３ａ，２４ａ 第１マスク
２２ｂ，２３ｂ，２４ｂ 第２マスク
２３ ハードマスク
２４Ａ 端部
４１ 光送信器（Ｔｘ）
４２ レーザ
４３ スプリッタ
４４ａ，４４ｂ ＩＱ変調器
４５，５３ 光偏波回転素子
４６ カプラ
５１ 光受信器（Ｒｘ）
５２ 光偏波分割素子
５４ａ，５４ｂ 受光器
１０１ チャネル導波路部
１１ａ，３１ａ 第１コア
１１ａ１，１２ａ１，１２ｂ１，３１ａ１ 第１部分
１１ａ２，１２ａ２，１２ｂ２，３１ａ２ 第２部分
１１ｂ，３１ｂ 第１スラブ
１１Ａ，３１Ａ 最大幅部分
１２，１０２ 光偏波ローテータ部
１２ａ 第２コア
第１部分
１２ｂ 第２スラブ
１３，１０３ 方向性結合器
１３ａ，１０３ａ 第１導波路
１３ｂ，１０３ｂ 第２導波路
２１ ＳＯＩ基板
２１ａ シリコン膜
２１ｂ，２１ｃ シリコン酸化膜
２２，２４ レジストマスク
２２ａ，２３ａ，２４ａ 第１マスク
２２ｂ，２３ｂ，２４ｂ 第２マスク
２３ ハードマスク
２４Ａ 端部
４１ 光送信器（Ｔｘ）
４２ レーザ
４３ スプリッタ
４４ａ，４４ｂ ＩＱ変調器
４５，５３ 光偏波回転素子
４６ カプラ
５１ 光受信器（Ｒｘ）
５２ 光偏波分割素子
５４ａ，５４ｂ 受光器
１０１ チャネル導波路部
Claims (7)
- 光伝搬方向に沿って、徐々に幅広となり、最大幅部分を境界として徐々に幅狭となる第１コアと、前記第１コアの光伝搬方向に沿った末端と接続された第２コアとを有するコア層と、
前記第１コアにおける光伝搬方向に沿った前記最大幅部分の前方箇所から前記第２コアの末端に架けて、前記コア層に接続されたスラブ層と
を備えたことを特徴とする光偏波回転素子。 - 前記スラブ層は、前記第１コアに接続された部分で一定幅とされていることを特徴とする請求項１に記載の光偏波回転素子。
- 前記スラブ層は、前記第１コアに接続された部分が光伝搬方向に沿って前記最大幅部分の前方箇所から徐々に幅広とされていることを特徴とする請求項１に記載の光偏波回転素子。
- 前記スラブ層は、前記第２コアに接続された部分が光伝搬方向に沿って前記第２コアの少なくとも途中まで徐々に幅広とされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光偏波回転素子。
- 前記スラブ層は、前記第１コアに接続された部分の幅が前記第２コアの最小幅以下とされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光偏波回転素子。
- 前記第２コアは、光伝搬方向に沿って、徐々に幅広とされている第１部分と、前記第１部分よりも大きい割合で徐々に幅広とされている第２部分とを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光偏波回転素子。
- 光送信器と、
光受信器と
を備えており、
前記光受信器は、入力光をＴＥ偏光とＴＭ偏光とに分割する光偏波分割素子と、偏波光の偏波面を回転して出力する光偏波回転素子とを有しており、
前記光偏波回転素子は、
光伝搬方向に沿って、徐々に幅広となり、最大幅部分を境界として徐々に幅狭となる第１コアと、前記第１コアの光伝搬方向に沿った末端と接続された第２コアとを有するコア層と、
前記第１コアにおける光伝搬方向に沿った前記最大幅部分の前方箇所から前記第２コアの末端に架けて、前記コア層の側面に接続されたスラブ層と
を備えたことを特徴とする光トランシーバ。
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- 2017-01-27 JP JP2017013199A patent/JP6864223B2/ja active Active
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