JP4102792B2

JP4102792B2 - 導波路型光干渉計

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Publication number: JP4102792B2
Application number: JP2004260323A
Authority: JP
Inventors: 靖之井上; 泰彰橋詰; 善典日比野; 彰夫杉田; 安弘肥田; 浩高橋
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2004-09-07
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2021-02-09
Also published as: US6757454B2; DE60127787D1; DE60127787T2; EP1712938A2; WO2001059495A1; EP1712938A3; EP1191364B1; JP3784720B2; EP1191364A1; US20020181870A1; EP1191364A4; JP2005010805A

Description

この発明は、平面光導波路で構成された導波路型光干渉計に関し、更に詳しくは、その導波路複屈折が導波路コア幅に依存することを利用して、光干渉計の偏波依存性を補償したり、もしくは逆に偏波依存性を強調する技術に関する。

現在、通信容量の拡大のために複数の光波長を用いた光波長多重通信システム（ＷＤＭシステム）の開発が盛んである。この光波長多重通信システムにおいて、送信側で複数の波長の光信号を合波したり、受信側で１本の光ファイバ中の複数の光信号を異なるポートに分波する光波長合分波器として、アレイ導波路格子型光波長合分波器（以下、ＡＷＧと略す）が広く使用されている。

従来のＡＷＧの回路構成を図１１に示す。入力導波路１に入射された光は、第１のスラブ導波路２で基板３と水平方向に回折し、複数のアレイ導波路４に結合する。隣接するアレイ導波路４はそれぞれ一定の光路長差を有しているため、第２のスラブ導波路５に結合する際に、複数の光ビームは波長に依存する位相差を持つ。この結果として、複数の光ビームの干渉で生じる焦点は波長に依存して位置が変化する。その焦点位置に予め複数の出力導波路６を配置しておくことにより、ＡＷＧは複数光波長を一括して合分波する光波長合分波器として機能する。

これまで報告されたＡＷＧでは、複数のアレイ導波路４のコア幅は互いに等しく設計されていた。ＡＷＧはガラス、ポリマー、半導体など様々な材料の導波路を用いて作製され、その結果が報告されている。（非特許文献１，２，３参照）。

一般に、平面基板上に作製した光導波路は、基板に垂直な方向に電界成分を持つＴＭ光と、基板に平行な方向に電界成分を持つＴＥ光との間で実効屈折率が異なる。これら実効屈折率の差分を導波路複屈折と呼び、以下の式（１）で定義する。

ここで、Ｂは導波路複屈折を、ｎ_ＴＭ、ｎ_ＴＥはそれぞれＴＭ光とＴＥ光の実効屈折率を表す。導波路複屈折の発生原因としては、応力誘起複屈折や構造複屈折などがある。

ＴＭ光とＴＥ光のＡＷＧ中心波長は以下の式（２）および（３）で表される。

ここで、λ_ＴＭおよびλ_ＴＥはＴＭ光とＴＥ光のＡＷＧ中心波長、ΔＬは隣接するアレイ導波路の長さの差、ｍは回折次数（整数）である。

上記の式（１）〜（３）からわかるように、導波路複屈折Ｂが存在する場合、ＡＷＧの中心波長λ_ＴＭ、λ_ＴＥはＴＭ光とＴＥ光とで異なる値になる。本来、石英系ガラス光導波路は伝搬損失の偏波依存性はほとんどない。しかしながら、上述の通り中心波長がＴＭ光とＴＥ光とで異なるため、入射光の偏光状態で特性が変化するという偏波依存性の問題を持っている。

（従来技術の第１例）
この偏波依存性を解消する一つの方法として、図１２に示すように、ＡＷＧの中央部でアレイ導波路４中に主軸が４５°傾いた１／２波長板７を溝８を介して挿入する方法が使われている。（非特許文献４参照）。

この１／２波長板７はＴＭ光とＴＥ光の偏波モード変換器として機能しており、ＡＷＧの回路中央部でＴＭ光とＴＥ光を入れ替えることにより、全体としてその特性を平均化し、偏波依存性を解消している。

（従来技術の第２例）
ＡＷＧの上記偏波依存性を解消する別の方法として、石英系ガラスにドーパントを多量に入れて、シリコン基板と同等の熱膨張係数を持たせることにより、ＡＷＧの作製時に生じる熱応力を低減し、結果的に偏波依存性を解消する報告もなされている。（非特許文献５参照）。

具体的には、石英系ガラス層にシリコン基板からかかる応力を-1MPa以上1MPa以下に調整することにより、導波路複屈折の絶対値を２×１０^−５以下に抑制している。ここで、負符号は圧縮応力、正符号は引っ張り応力を表す。

この従来技術の第２例の方法は、上記の従来技術の第１例の方法に比べて、１／２波長板７の挿入に伴う付加的な作業がなく、且つ過剰損失も生じないため、有望な方法である。しかし、ガラスの圧縮応力が非常に弱いため、ＡＷＧ作製時の作業工程において石英系ガラス層に容易にクラックが発生したり、石英系ガラス層のドーパント量が多いために、長期的な耐候性が低く、導波路の結晶化が生じて導波路の光の挿入損失が増加するという問題があった。この信頼性の低さは、通信用光部品として致命的な問題であり、その解決が強く求められていた。

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このように、従来は、導波路の偏波無依存化を実現するために様々な技術が用いられてきたが、本発明の目的は逆に、導波路の偏波依存性を積極的に活用した、低コストで信頼性の高い新しい導波路型光干渉計を実現することにある。

本発明の目的は、これらの課題を解決し、低コストで信頼性の高い偏波無依存の導波路型光干渉計を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の導波路型光干渉計は、シリコン基板上の石英系ガラス導波路で構成され、コアの内部応力がクラッドの内部応力に比べて２倍以上大きい材料からなる石英系ガラス導波路がシリコン基板上に構成される光干渉計において、前記光干渉計が２つの５０％方向性結合器とそれらを結ぶ互いに長さの異なる２本の導波路からなるマッハツェンダ光干渉計であり、前記２本の光導波路のコア幅が、少なくとも一部において互いに異なることにより、前記２本の光導波路のそれぞれについて、コアおよびクラッドの材料に依存する応力誘起複屈折を制御すること、前記２本の光導波路のそれぞれにおけるＴＭ光の実効屈折率およびＴＥ光の実効屈折率並びに波長λに基づいて、前記２本の光導波路の長さを、ＴＭ光にとっての光路長差がλ／２、ＴＥ光にとっての光路長差が０となるように、またはＴＭ光にとっての光路長差が０、ＴＥ光にとっての光路長差がλ／２となるように、設定することを特徴とする。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

（第１の参考例）
図１に本発明の第１の参考例としての偏波無依存ＡＷＧ（アレイ導波路格子型光波長合分波器）の回路構成を示す。このＡＷＧには１００本のアレイ導波路１０４が配置されており、スラブ導波路１０２および１０５との接続部のテーパ（図示せず）を除き、そのアレイ導波路１０４のコア幅が１本１本異なる。その他の構成は上述した従来例の、図１１のＡＷＧと同様である。ここで、１０１は入力導波路、１０２は入力側のスラブ導波路、１０３はシリコン基板、１０５は出力側のスラブ導波路、１０６は出力導波路である。

図２に図１のアレイ導波路部分のコア幅がわかるように強調した上面図を示す。図２に示すように、そのアレイ導波路１０４のコア幅が内側（短いアレイ導波路側）から外側（長いアレイ導波路側）に向けて徐々に細くなるよう設計している。ここで、２０２は最も内側のコア幅８．２ミクロンのアレイ導波路、２０１は最も外側のコア幅５．８ミクロンのアレイ導波路を示す。

次に、本参考例のきっかけとなった導波路複屈折Ｂとコア幅ｗとの関係を図３に示す。図３から導波路コア幅ｗが広いほど導波路複屈折Ｂが大きくなっていることがわかる。この導波路複屈折のコア幅依存性は、構造複屈折のコア幅依存性とは正反対の依存性となっている。すなわち、構造複屈折はコア幅が広くなると小さくなる。このことから、本参考例における導波路複屈折は応力誘起複屈折であることがわかる。

応力誘起複屈折はコアガラス、クラッドガラス、基板の材質や熱膨張係数に強く依存する。本参考例では、コアガラス膜の内部応力がクラッドガラス膜の内部応力に比べて２倍以上大きな材料を使用している。

図３の導波路複屈折のコア幅依存性を以下に説明する。直感的な理解としては、コア幅がコア膜厚に比べて充分に狭い領域（極端な例として、コア幅が０）では、導波路複屈折はクラッドガラス膜の内部応力によって律即される。これに対して、コア幅がコア膜厚に比べて充分に広い領域（極端な例として、コア幅が無限大の場合）では、導波路複屈折はコアガラス膜の内部応力によって律即される。本参考例では、コアガラス膜の内部応力がクラッドガラス膜の内部応力に比べて大きいため、コア幅が広くなると導波路複屈折も大きくなるという依存性が生じる。

本参考例は、今回発見した図３の導波路複屈折のコア幅依存性を利用することによって、導波路複屈折そのものを０にしないで、ＴＭ光の中心波長λ_ＴＭとＴＥ光の中心波長λ_ＴＥを一致させる方法に関するものである。

本参考例の導波路作製方法を、図４の（Ａ）−（Ｅ）を用いて簡単に説明する。シリコン基板１０３上に火炎堆積法でＳｉＯ₂を主体にした下部クラッドガラススート４０１、ＳｉＯ₂にＧｅＯ₂を添加したコアガラススート４０２を堆積する（図４の（Ａ））。

その後、１０００℃以上の高温でガラス透明化を行う。この時に、下部クラッドガラス層４０３は３０ミクロン厚、コアガラス４０４は７ミクロン厚となるように、ガラスの堆積を行っている（図４の（Ｂ））。

引き続き、フォトリソグラフィ技術を用いてコアガラス４０４上にエッチングマスク４０５を形成し（図４の（Ｃ））、反応性イオンエッチングによってコアガラス４０４のパターン化を行う（図４の（Ｄ））。

エッチングマスク４０５を除去した後、上部クラッドガラス４０６を再度火炎堆積法で形成する。上部クラッドガラス４０６にはＢ₂Ｏ₃やＰ₂Ｏ₅などのドーパントを添加してガラス転移温度を下げ、それぞれのコアガラス４０４とコアガラス４０４の狭い隙間にも上部クラッドガラス４０６が入り込むようにしている（図４の（Ｅ））。

従来技術に述べたようにクラッドガラスに大量のドーパントを添加すると、シリコン基板からガラス層にかかる圧縮応力が緩和され、導波路複屈折が減少する。しかし、それと共にガラスの耐候性が劣化する。このため、本参考例では、信頼性が十分に確保できる条件として、クラッドガラス４０６に添加するドーパント量を抑制し、シリコン基板１０３からガラス層へ−１０ＭＰa以下の応力（１０ＭＰa以上の圧縮応力）を発生させている。

次に、アレイ導波路の設計について述べる。ＡＷＧでは、隣接するアレイ導波路の光路長差が一定になるように設計を行う。この場合、ＴＭモードとＴＥモードの中心波長λ_ＴＭ,λ_ＴＥは以下の式（４），（５）で表される。

ここでＬ_ｋ,Ｌ_k+1はｋ番目およびｋ＋１番目のアレイ導波路の長さを示す。よって、偏波による中心波長のズレがなくなる条件は、（４）式と（５）式の右辺が等しくなればよい。すなわち、以下の（６）式が満たされれば、偏波による中心波長のズレがなくなり、ＡＷＧの偏波依存性は解消される。

ただしＢは（１）式で与えられる導波路複屈折である。（６）式は、長手方向に積分した複屈折が異なるアレイ導波路間で一定の値になれば偏波依存性は解消されることを意味している。

本参考例では各アレイ導波路のコア幅は長手方向に一定で設計しているため、（６）式は以下の（７）式のように簡単に書き表される。

ただし、Ｂ_ｋはｋ番目のアレイ導波路の複屈折である。

（７）式は、短いアレイ導波路の複屈折は大きく、長いアレイ導波路の複屈折は小さくすれば、ＡＷＧの偏波依存性がなくなることを意味している。図３の結果を用いて、（７）式を満たすように、１００ＧＨｚ間隔１６チャンネルのＡＷＧを設計したところ、図２に示すように、一番長いアレイ導波路２０１のコア幅は５．８ミクロンに、一番短いアレイ導波路２０２のコア幅は８．２ミクロンになった。

ＡＷＧでは、一般に隣接するアレイ導波路の光路長差を一定にする必要がある。全てのアレイ導波路を１種類のコア幅で設計していた従来設計では、実効屈折率が全てのアレイ導波路で等しいため、隣接するアレイ導波路の物理的な長さの差は一定であった。しかし、本設計では一本一本のアレイ導波路コア幅が異なるため、それに応じて実効屈折率も異なる。この結果として、隣接するアレイ導波路間の物理的な長さの差は一定になるとは限らない。より詳しくは、実効屈折率とコア幅が比例する場合は、隣接するアレイ導波路間の物理的な長さの差は一定になるが、実効屈折率とコア幅が比例しない場合は、隣接するアレイ導波路間の物理的な長さの差は一定にならない。本参考例では、実効屈折率とコア幅が比例していないため隣接するアレイ導波路間の物理的な長さの差は一定になっていない。

上記の設計を用いて作製したＡＷＧの透過スペクトルを図５に示す。λ_TMとλ_TEのズレは０．００７ｎｍ以下（測定限界以下）であった。また、これと比較のため、単一のコア幅（７．０ミクロン）を用いて作製した従来型のＡＷＧの透過スペクトルを図６に示す。λ_TMとλ_TEのズレは０．１２ｎｍであった。図５と図６の比較により、コア幅を（７）式を満足するように設計することにより、ＡＷＧの偏波依存性が解消できることがわかる。

本参考例は、アレイ導波路のそれぞれの長さに応じてそのコア幅を変化させることで、有限の導波路複屈折を制御することにより、導波路複屈折そのものを０にしなくても、導波路型光干渉計の偏波依存性を解消できることに特徴がある。導波路の複屈折の制御方法としては、応力付与膜を用いる方法（非特許文献６参照）や、異種薄膜をコア直下に装荷する方法（非特許文献７参照）が知られている。しかし、本参考例は、このような付加的なプロセスを必要とせず、マスク設計パラメータであるコア幅を変えるだけで、その導波路複屈折を制御し、ＡＷＧの偏波依存性を解消できる点に最大の特長がある。

（第２の参考例）
図７に本発明の第２の参考例としてチャンネル間隔１００ＧＨｚ(ＦＳＲ２００ＧＨｚ)の非対称マッハツェンダ光干渉計の構成を示す。本第２の参考例は、上記第１の参考例の偏波無依存化の原理を非対称マッハツェンダ光干渉計に適用したものである。

ここで、１４０１はコア幅７ミクロンの入力導波路、１４０２は入力側の５０％方向性結合器（光カプラ）、１４０３はコア幅７ミクロンのアーム導波路、１４０４はコア幅６ミクロンのアーム導波路、１４０５はコア幅８ミクロンのアーム導波路、１４０６は出力側の５０％方向性結合器、１４０７はコア幅７ミクロンの出力導波路である。異なるコア幅の導波路間は幅が徐々に変化するテーパを挿入している。

図７に示すように、２本のコア幅７ミクロンのアーム導波路１４０３の一部を、それぞれ長さの異なるコア幅６ミクロンのアーム導波路１４０４、コア幅８ミクロンのアーム導波路１４０５に、それぞれ置き換えて接続したような、コア幅を異ならせた構成となっている。このように、本参考例の非対称マッハツェンダ光干渉計は、２本のアーム導波路の幅をｗ₁=６ミクロン、ｗ₂=８ミクロン、ｗ₀=７ミクロンのコア幅を用いて構成している。

コア幅ｗ₁,ｗ₂の長さＬ(ｗ₁),Ｌ(ｗ_２)は次式（８）、（９）で与えられる。

ここでcは光速を表す。また、コア幅ｗ₀の長さＬ(ｗ₀)は２本のアーム導波路に同じ長さだけ挿入しているため、干渉計に影響を及ぼさない。コア幅ｗ₀の導波路１４０３は光回路の設計自由度を高める目的で挿入している。

本参考例では、Ｌ(ｗ₁)=２．９６ｍｍ,Ｌ(ｗ_２)=１．９２ｍｍとして設計を行った。

図８に上記の設計に基づいて作製した非対称マッハツェンダ光干渉計の透過スペクトルを示す。これと比較のために、図９にコア幅７ミクロンの導波路のみを用いて作製した従来型の非対称マッハツェンダ光干渉計の透過スペクトルを示す。図８と図９から明らかなように、本参考例の非対称マッハツェンダ光干渉計においては偏波依存性が解消されていることがわかる。

（本発明の実施の形態）
図１０に本発明の一実施形態としての偏波ビームスプリッタの構成を示す。ここで、１７０１はコア幅７ミクロンの入力導波路、１７０２は入力側の５０％方向性結合器、１７０３はコア幅５ミクロンのアーム導波路、１７０４はコア幅１０ミクロンのアーム導波路、１７０５は出力側の５０％方向性結合器、１７０６はコア幅７ミクロンの出力導波路である。

上述した本発明の第２の参考例は、非対称マッハツェンダ光干渉計の偏波依存性を解消したものであったが、本実施形態は反対にマッハツェンダ光干渉計の偏波依存性を増強し、偏波によって出力ポートが変わる偏波ビームスプリッタを実現したものである。

偏波ビームスプリッタを実現するためには、例えばＴＭ光にとっての光路長差がλ／２、ＴＥ光にとっての光路長差が０になるように設計する必要がある。本実施形態では、コア幅ｗ₁=５ミクロンの導波路１７０３とコア幅ｗ_２=１０ミクロンの導波路１７０４を用いた。上記の条件は以下の式（１０），（１１）で表される。

ここで、λは光波長を表す。(１０)、（１１）式を変形することにより、Ｌ(ｗ₁),Ｌ(ｗ₂)を求める以下の式（１２）、（１３）が得られる。

（１２）（１３）式により、それぞれのアーム導波路１７０３、１７０４の長さＬ(ｗ₁),Ｌ(ｗ₂)はそれぞれ６．５３ｍｍ,６．５２ｍｍに設計すればよいことがわかる。実際にこの条件で作製を行ったところ、通信光波長１．５５ミクロンの入力光に対して、ＴＭ光はスルーポートに出力され、ＴＥ光はクロスポートに出力される偏波ビームスプリッタ機能が確認された。クロスポートにおけるＴＥ光に対するＴＭ光のレベル（偏波ビームスプリッタのクロストーク）は−１９ｄＢであった。

（その他の実施の形態）
以上述べた本発明の各実施形態では、シリコン基板上の石英系ガラス導波路を用いた光干渉計を示したが、その導波路材料がポリイミド、シリコーン、半導体、ＬｉＮｂＯ₃などであっても本発明の上記の原理は適用可能である。また、基板もシリコンに限定するものではない。

上記の本発明の実施形態では、複屈折がコア幅に依存する原因として、応力誘起の複屈折であると説明したが、この原因が構造複屈折の場合も、上記で示した式を用いて偏波無依存、もしくは偏波依存性を実現することが可能である。

上記の本発明の実施形態では、コア幅を広げると導波路複屈折が増加する場合について述べているが、その反対にコア幅を広げると導波路複屈折が低下する場合でも、上記の式を満たすようにコア幅を設計すれば、偏波依存性をなくすることができる。

また、上記の本発明の実施形態では、シリコン基板上の石英系光導波路を対象としたが、石英基板上の石英系光導波路では一般に複屈折は負になる。ポリマ−光導波路では材料によって複屈折の正負が異なる。例えば、ポリイミド光導波路では複屈折が正になり、シリコーン光導波路では負になる。

本発明の本質は複屈折が導波路コア幅に依存しており、そのことを利用して偏波無依存、もしくは偏波依存性を実現したことにある。

また、本発明によれば、従来技術の第２例で紹介した圧縮応力のないガラスを用いる必要がなくなり、圧縮応力のあるガラスを用いて光回路を構成できるため、耐候性をはじめとする光部品の信頼性が飛躍的に向上する効果も得られる。

以上のように、本発明にかかる導波路型光干渉計は、光波長多重通信システムにおいて、送信側で複数の波長の光信号を合波したり、受信側で１本の光ファイバ中の複数の光信号を異なるポートに分波する光波長合分波器として用いるのに有用である。

本発明の第１の参考例の偏波無依存ＡＷＧ（アレイ導波路格子型光波長合分波器）の構成を示す斜視図である。図１の偏波無依存ＡＷＧのアレイ導波路部のコア幅がわかるように強調した上面図である。導波路複屈折率のコア幅依存性を導波路複屈折率と導波路コア幅との関係で示すグラフである。本発明の第１の参考例の偏波無依存ＡＷＧの作製工程を示す工程図である。本発明の第１の参考例の偏波無依存ＡＷＧの透過スペクトル特性を透過率と波長との関係で示すグラフである。図５の本発明の第１の参考例との比較例として、単一のコア幅（７．０ミクロン）で設計したＡＷＧの透過スペクトル特性を透過率と波長との関係で示すグラフである。本発明の第２の参考例の偏波無依存非対称マッハツェンダ光干渉計の構成を示す模式図である。本発明の第２の参考例の偏波無依存非対称マッハツェンダ光干渉計の透過スペクトル特性を光挿入損失と光周波数との関係で示すグラフである。図８の本発明の第２の参考例との比較例として、従来の非対称マッハツェンダ光干渉計（単一コア幅７ミクロン）の透過スペクトル特性を光挿入損失と光周波数との関係で示すグラフである。本発明の一実施形態の偏波ビームスプリッタの構成を示す模式図である。従来のＡＷＧの構成例を示す斜視図である。従来のＡＷＧの他の構成例を示す斜視図である。

符号の説明

１４０１コア幅７ミクロンの入力導波路
１４０２入力側の５０％方向性結合器（光カプラ）
１４０３コア幅７ミクロンのアーム導波路
１４０４コア幅６ミクロンのアーム導波路
１４０５コア幅８ミクロンのアーム導波路
１４０６出力側の５０％方向性結合器
１４０７コア幅７ミクロンの出力導波路
１７０１コア幅７ミクロンの入力導波路
１７０２入力側の５０％方向性結合器
１７０３コア幅５ミクロンのアーム導波路
１７０４コア幅１０ミクロンのアーム導波路
１７０５出力側の５０％方向性結合器
１７０６コア幅７ミクロンの出力導波路

Claims

シリコン基板上の石英系ガラス導波路で構成され、コアの内部応力がクラッドの内部応力に比べて２倍以上大きい材料からなる石英系ガラス導波路がシリコン基板上に構成される光干渉計において、
前記光干渉計が２つの５０％方向性結合器とそれらを結ぶ互いに長さの異なる２本の導波路からなるマッハツェンダ光干渉計であり、
前記２本の光導波路のコア幅が、少なくとも一部において互いに異なることにより、前記２本の光導波路のそれぞれについて、コアおよびクラッドの材料に依存する応力誘起複屈折を制御すること、
前記２本の光導波路のそれぞれにおけるＴＭ光の実効屈折率およびＴＥ光の実効屈折率並びに波長λに基づいて、前記２本の光導波路の長さを、ＴＭ光にとっての光路長差がλ／２、ＴＥ光にとっての光路長差が０となるように、またはＴＭ光にとっての光路長差が０、ＴＥ光にとっての光路長差がλ／２となるように、設定すること
を特徴とする導波路型光干渉計。