JP2021196393A - モード変換素子 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)構造
図1は、実施の形態1のモード変換素子2の一例を示す平面図である。
図2は、図1のII-II線に沿った断面図である。図3は、図1のIII-III線に沿った断面図である。図4は、図1のIV-IV線に沿った断面図である。
モード次数変換部8は、TE1光5(図5参照)が入力される入力側第1リブ部18a(図1参照)、入力側第1リブ部18aに沿って延在する出力側第1リブ部20a、および入力側第1リブ部18aと出力側第1リブ部20aとの間に配置された第1スラブ部24aを有する。
リブチャネル変換部10は、出力側第1リブ部20aに接する出力側第2リブ部20b、および出力側第2リブ部20bに沿って延在し入力側第1リブ部18aに接する入力側第2リブ部18bを有する。出力側第2リブ部20bは例えば、コアの横断面が矩形のチャネル導波路9(図5参照)に接続される。この場合、出力側第2リブ部20bは、チャネル導波路9にTE0光7を出力する。出力側第2リブ部20bの両端のうちチャネル導波路9に接する一端の幅は好ましくは、チャネル導波路9のコアの幅と同じである。
偏波回転部12(図1参照)は、テーパ部14および接続部16を有する。テーパ部14は、モード次数変換部8に向かって幅が広がる入力側第3リブ部18c、入力側第3リブ部18cの側面の一方に接する第6スラブ部24f、および入力側第3リブ部18cの側面の他方に接する第7スラブ部24gを有する。
(2−1)偏波回転部12の動作
図7は、テーパ部14を伝搬する固有モードの実効屈折率の一例を示す図である。縦軸は実効屈折率である。実効屈折率は、例えば有限要素法により算出される。横軸は、テーパ部14の長手方向に沿った座標zである。
モード次数変換部8は、入力側第1リブ部18aに入力されたTE1光5(図5参照)をTE0光7に変換して、出力側第1リブ部20aからリブチャネル変換部10の出力側第2リブ部20bに入力する。
図13は、リブチャネル変換部10(図5参照)におけるTE0光7の電界分布の推移を示す図である。図13には、x軸方向(図3参照)に沿ったTE0光の電界分布48I〜48IVが示されている。
出力側第2リブ部20b(図13参照)と第2〜第3スラブ部24b,24cは、スラブ層がスラブ層より厚いリブ部の両側面に接続された両側リブを形成している。この両側リブにより、入力側第2リブ部18b側に偏った電界分布48IIの重心が出力側第2リブ部20b側に移動し、左右対称な電界分布48IIIが形成される。
モード変換素子2は例えば、SOI(Silicon on Insulator)ウエハから形成される。先ず、埋め込み酸化膜(Buried Oxide)上のSi層の表面にフォトリソグラフィ技術により、平面視においてコア4と略同形・同サイズのフォトレジスト膜を形成する。次に、フォトレジスト膜により覆われていない領域のSi層をドライエッチングにより除去しその後、フォトレジスト膜を除去する。
図18は、モード変換素子2を適用したデジタルコヒーレント受信機66の一例を示すブロック図である。デジタルコヒーレント受信機66は例えば、SOI基板上に光素子が集積されたシリコンフォトニクスデバイスの素子間通信(すなわち、インターコネクション)に用いることができる。
(6−1)変形例1
図19は変形例1のモード変換素子M1の一例を示す平面図である。モード変換素子M1の構造は、第4〜第5スラブ部24d,24eを有さないこと以外は図1を参照して説明したモード変換素子2と略同じである。
図1を参照して説明した第3スラブ部24cの幅は、出力側第2リブ部20bの先端32に向かって徐々に増加する。しかし、第3スラブ部24cの幅は徐々に増加しなくても良い。例えば第3スラブ部24cの幅は、階段状に増加しても良い。或いは第3スラブ部24cは、幅が一定の矩形のスラブ層であっても良い。この様な構造であっても、出力側第2リブ部20bを伝搬するTE0光7の電界分布を左右対称にすることは可能である。
図20は変形例3のモード変換素子M3の一例を示す平面図である。図20に示すように、出力側第2リブ部20bの外側領域20outは、出力側第1リブ部20aより細い。この点以外は、変形例3のモード変換素子M3の構造は、図1を参照して説明したモード変換素子2の構造と略同じである。
図21は変形例4のモード変換素子M4の一例を示す平面図である。図1を参照して説明したモード変換素子2のモード次数変換部8は、互いに幅が異なる2つのリブ部(すなわち、入力側第1リブ部18aおよび出力側第1リブ部20a)を有する方向性結合器である。一方、変形例4の方向性結合器では、入力側第1リブ部118aの幅Win(z)が入力側第2リブ部118bに向かって減少し、出力側第1リブ部120aの幅Wout(z)が出力側第2リブ部120bに向かって増加する(相違点1)。zは、入力側第1リブ部118aおよび出力側第1リブ部120aに沿った座標である。図22に示す例では、Win(z)およびWout(z)はzの1次関数である。入力側第1リブ部118aと出力側第1リブ部120aの間隔は一定である。
図22は、変形例4のモード次数変換部108の動作の一例を説明する図である。変形例4のモード次数変換部108は、入力側第1リブ部118aを伝搬するTE1光5の実効屈折率と出力側第1リブ部120aを伝搬するTE0光7の実効屈折率が中央で一致するように構成されている。
製造誤差δにより、入力側第1リブ部118aおよび出力側第1リブ部120aの幅が設計値から変化した場合を考える。ここでは説明を簡単にするために、入力側第1リブ部118aの幅Win(z)および出力側第1リブ部120aの幅Wout(z)がzの1次関数の場合を考える。
=Win(zc)-k(z-zc)+δ
=Win(zc)-k{(z-δ/k)-zc}
=Win(z-δ/k) ・・・・・ (1)
W’out(z)=Wout(z)+δ
=Wout(zc)-k(z-zc)+δ
=Wout(zc)-k{(z-δ/k)-zc}
=Wout(z-δ/k) ・・・・・ (2)
ここでkは、正の係数である。
図23は変形例5のモード変換素子M5の一例を示す平面図である。図1及び6を参照して説明したモード変換素子2のリブチャネル変換部10は、入力側第2リブ部18bと出力側第2リブ部20bの間隔G(図6参照)が増加する接続領域36を有する。一方、変形例5のモード変換素子M5は、この様な領域を有さない。
図1〜23を参照して説明した例では、モード次数変換部8は、TE1光5をTE0光7に変換する。しかしモード次数変換部8は、TE1光よりモード次数が高い伝搬光をTE0光7よりモード次数が高い伝搬光に変換しても良い。例えばモード次数変換部8は、TE2モードの伝搬光をTE1モードの伝搬光に変換しても良い。この場合、偏波回転部12は例えば、TM1モードの伝搬光をTE2モードの伝搬光に変換する。
実施の形態2のモード変換素子は、実施の形態1のモード変換素子2に類似している。従って、実施の形態1と同じ構成等については、説明を省略または簡単にする。
図24は、実施の形態2のモード変換素子202の一例を示す平面図である。図25は、実施の形態2のモード変換素子202の動作の一例を説明する図である。
図26は、変形例のモード変換素子M202の一例を示す平面図である。モード変換素子M202の構造は、第4〜第5スラブ部24d,24eを有さないこと以外は図24を参照して説明したモード変換素子202の構造と略同じである。
図27は、実施の形態3のモード変換素子302の一例を示す平面図である。図28は、実施の形態3のモード変換素子302の動作の一例を説明する図である。実施の形態3のモード変換素子302は、実施の形態1のモード変換素子2に類似している。従って、実施の形態1と同じ構成等については、説明を省略または簡単にする。
図27に示すように、実施の形態3のモード変換素子302は、偏波回転部12を有さない。更にモード変換素子302のモード次数変換部308は、出力側第1リブ部320aのTE1モードの実効屈折率が、入力側第1リブ部18aのいずれのTEモード(例えば、TE1モード)の実効屈折率とも一致しないように構成されている。これらの点を除き、実施の形態3のモード変換素子302の構造は、実施の形態1のモード変換素子2の構造と略同じである。
実施の形態3のモード変換素子302には、TE1光5(図28参照)およびTE1光5とは異なるTE1光305が入力されて、TE1光5が変換されたTE0光7とTE1光305とが多重化される。TE1光5およびTE1光305は、TE1モードの伝搬光である。TE0光7は、TE0モードの伝搬光である。
図29は、モード変換素子302を用いたモード多重送信機366の一例を示すブロック図である。モード多重送信機366は例えば、SOI基板上に光素子が集積されたシリコンフォトニクスデバイスの素子間通信(すなわち、インターコネクション)に用いることができる。
基板と、前記基板上のクラッドと、前記クラッドにより囲われたコアとを有し、
前記コアは前記クラッドより屈折率が高く、第1伝搬光を前記第1伝搬光とはモード次数が異なる第2伝搬光に変換するモード次数変換部と、前記第2伝搬光を外部に出力するリブチャネル変換部とを含み、
前記モード次数変換部は、前記第1伝搬光が入力される入力側第1リブ部と、前記入力側第1リブ部に沿って延在し前記入力側第1リブ部と反対側の側面が下端から上端に亘って前記クラッドに覆われた出力側第1リブ部と、前記入力側第1リブ部と前記出力側第1リブ部の間に配置され前記入力側第1リブ部および前記出力側第1リブ部より薄い第1スラブ部とを有し、
前記リブチャネル変換部は、前記出力側第1リブ部に接し前記第2伝搬光を出力する出力側第2リブ部と、前記第1スラブ部と前記出力側第2リブ部の側面とに接し前記出力側第2リブ部より薄い第2スラブ部と、前記出力側第2リブ部の別の側面に接し前記出力側第2リブ部より薄い第3スラブ部とを有する
モード変換素子。
前記第3スラブ部は、前記出力側第2リブ部の両端のうち前記出力側第1リブ部と反対側の一端に向かって幅が増加することを
特徴とする付記1に記載のモード変換素子。
前記出力側第2リブ部は、前記出力側第1リブ部に接する内側領域と前記内側領域に接する外側領域とを有し、
前記第2スラブ部および前記第3スラブ部は、前記内側領域に接することを
特徴とする付記1または2に記載のモード変換素子。
前記リブチャネル変換部は更に、前記第2スラブ部と前記外側領域の側面とに接し前記出力側第2リブ部より薄い第4スラブ部と、前記第3スラブ部および前記外側領域の別の側面に接し前記出力側第2リブ部より薄い第5スラブ部とを有し、
前記第4スラブ部および前記第5スラブ部それぞれの幅は、前記出力側第2リブ部の両端のうち前記出力側第1リブ部と反対側の一端に向かって減少することを
特徴とする付記3に記載のモード変換素子。
前記出力側第2リブ部の中央の幅は、前記出力側第2リブ部の両端の幅より広いことを
特徴とする付記1〜4のいずれか1項に記載のモード変換素子。
前記第1伝搬光は、電界方向が前記基板と平行になるように偏光し実効屈折率が基本モードより高い高次TE光であり、
前記第2伝搬光は、電界方向が前記基板と平行になるように偏光し実効屈折率が前記高次TE光より低い低次TE光であり、
更に、電界方向が前記基板と直交するように偏光したTM光が入力され、入力された前記TM光を前記高次TE光に変換する偏波回転部を有することを
特徴とする付記1〜5のいずれか1項に記載のモード変換素子。
前記入力側第1リブ部は、前記第1伝搬光が入力され
前記出力側第1リブ部は、前記第2伝搬光を前記出力側第2リブ部に入力することを
特徴とする付記1〜6のいずれか1項に記載のモード変換素子。
前記出力側第2リブ部は、コアの横断面が矩形のチャネル導波路に接続されることを
特徴とする付記1〜7のいずれか1項に記載のモード変換素子。
前記出力側第2リブ部に沿って延在し前記入力側第1リブ部に接する入力側第2リブ部を有し、
前記入力側第2リブ部と前記出力側第2リブ部の間隔は、前記モード次数変換部に接する領域で、前記出力側第2リブ部の両端のうち前記出力側第1リブ部と反対側の一端に向かって増加することを
特徴とする付記1〜8のいずれか1項に記載のモード変換素子。
前記モード次数変換部は、前記入力側第1リブ部の幅が前記出力側第1リブ部の幅とは異なる非対称方向性結合器であることを
特徴とする付記1〜9のいずれか1項に記載のモード変換素子。
前記モード次数変換部は、前記入力側第1リブ部の幅が前記入力側第2リブ部に向かって減少し、前記出力側第1リブ部の幅が前記出力側第2リブ部に向かって増加する方向性結合器であることを
特徴とする付記9に記載のモード変換素子。
4 :コア
6 :クラッド
8 :モード次数変換部
10 :リブチャネル変換部
11 :基板
12 :偏波回転部
18a :入力側第1リブ部
18b :入力側第2リブ部
20a :出力側第1リブ部
20b :出力側第2リブ部
24a :第1スラブ部
24b :第2スラブ部
24c :第3スラブ部
24d :第4スラブ部
24e :第5スラブ部
Claims (6)
- 基板と、前記基板上のクラッドと、前記クラッドにより囲われたコアとを有し、
前記コアは前記クラッドより屈折率が高く、第1伝搬光を前記第1伝搬光とはモード次数が異なる第2伝搬光に変換するモード次数変換部と、前記第2伝搬光を外部に出力するリブチャネル変換部とを含み、
前記モード次数変換部は、前記第1伝搬光が入力される入力側第1リブ部と、前記入力側第1リブ部に沿って延在し前記入力側第1リブ部と反対側の側面が下端から上端に亘って前記クラッドに覆われた出力側第1リブ部と、前記入力側第1リブ部と前記出力側第1リブ部の間に配置され前記入力側第1リブ部および前記出力側第1リブ部より薄い第1スラブ部とを有し、
前記リブチャネル変換部は、前記出力側第1リブ部に接し前記第2伝搬光を出力する出力側第2リブ部と、前記第1スラブ部と前記出力側第2リブ部の側面とに接し前記出力側第2リブ部より薄い第2スラブ部と、前記出力側第2リブ部の別の側面に接し前記出力側第2リブ部より薄い第3スラブ部とを有する
モード変換素子。 - 前記第3スラブ部は、前記出力側第2リブ部の両端のうち前記出力側第1リブ部と反対側の一端に向かって幅が増加することを
特徴とする請求項1に記載のモード変換素子。 - 前記出力側第2リブ部は、前記出力側第1リブ部に接する内側領域と前記内側領域に接する外側領域とを有し、
前記第2スラブ部および前記第3スラブ部は、前記内側領域に接することを
特徴とする請求項1または2に記載のモード変換素子。 - 前記リブチャネル変換部は更に、前記第2スラブ部と前記外側領域の側面とに接し前記出力側第2リブ部より薄い第4スラブ部と、前記第3スラブ部および前記外側領域の別の側面に接し前記出力側第2リブ部より薄い第5スラブ部とを有し、
前記第4スラブ部および前記第5スラブ部それぞれの幅は、前記出力側第2リブ部の両端のうち前記出力側第1リブ部と反対側の一端に向かって減少することを
特徴とする請求項3に記載のモード変換素子。 - 前記出力側第2リブ部の中央の幅は、前記出力側第2リブ部の両端の幅より広いことを
特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のモード変換素子。 - 前記第1伝搬光は、電界方向が前記基板と平行になるように偏光し実効屈折率が基本モードより高い高次TE光であり、
前記第2伝搬光は、電界方向が前記基板と平行になるように偏光し実効屈折率が前記高次TE光より低い低次TE光であり、
更に、電界方向が前記基板と直交するように偏光したTM光が入力され、入力された前記TM光を前記高次TE光に変換する偏波回転部を有することを
特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のモード変換素子。
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