JP4785925B2 - 導波路型偏光子および光導波路デバイス - Google Patents

導波路型偏光子および光導波路デバイス Download PDF

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Description

本発明は、光通信で用いられる光導波路デバイス上に形成される導波路型偏光子に関し、特に、曲がり導波路を含んだ光導波路デバイス上に形成される導波路型偏光子に関する。
例えば、光変調器として用いられる光導波路デバイスは、その偏波消光比を良くするために、導波路基板上に形成された偏光子を備える場合がある。従来の導波路型偏光子としては、例えば、導波路上に金属膜を形成して、垂直および水平の偏波成分（ＴＭモードおよびＴＥモード）のうち、一方の偏波成分を金属膜に吸収させる構成（例えば、特許文献１参照）や、光導波路の一部にプロトン交換型光導波路を適用して偏光子としての機能を実現した構成（例えば、特許文献２参照）などが知られている。
しかし、上記のような構成は、通常の光導波路デバイスの作製工程以外の工程を用いる必要があるという欠点を有していた。
このような欠点に対しては、例えば図１１に示すように、基板１０１上に金属拡散により形成した光導波路１０２の両側方に、同じく金属拡散により形成した矩形の放射領域１０３を設け、光導波路１０２を伝搬するＴＭモードおよびＴＥモードのうちの一方を放射領域１０３で放射させる構成の導波路型偏光子が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
また、例えば図１２に示すように、複数の直線導波路部２０１，２０２，…を予め定めた角度θだけずれるように接続した曲がり導波路を設け、各直線導波路部の長さＬが次式の関係を満たすように設定されることで偏光選択性を有するようにした構成も提案されている（例えば、特許文献４参照）。
Ｌ＝（２ｍ＋１）・λ／（２・Δｎ） （ｍ＝０，１，２，…）
Δｎ＝Ｎｅｆｆ−Ｎｅｆｆ’
ただし、λは導波路を伝搬する光の波長であり、Ｎｅｆｆは伝搬させるべき偏光の直線導波路部における導波モードの実効屈折率であり、Ｎｅｆｆ’は伝搬させるべき偏光について接続部で励振される非導波モードの実効屈折率の平均値である。
さらに、曲がり導波路を含んだ光導波路デバイスに関しては、直線導波路と曲がり導波路とを組み合わせることで性能の偏波依存性を減少させるようにした導波路型光サーキュレータなども知られている（例えば、特許文献５参照）。
特開平７−２７９３５号公報 特開平６−９４９３０号公報 特許第２５８０１２７号公報 特開平９−２５８０４７号公報 特許第３６９０１４６号公報
しかしながら、上記のような従来の導波路型偏光子については次のような問題点がある。
すなわち、図１１に示した従来構成の場合、２０ｄＢ以上の偏波消光比を実現するためには１０ｍｍ程度の導波路長が必要であり、光導波路デバイスのサイズが大きくなってしまうという問題点がある。加えて、光導波路１０２を伝搬する光に対して放射領域１０３が方向性結合器として作用するため、例えば図１３の光波長に対する偏波消光比の関係に示すような大きな波長依存性が生じてしまうという問題点もある。
また、図１２に示した従来構成の場合には、前述の関係式からも明らかなように、各直線導波路部の最適な長さＬは光波長λによって異なる。このため、図１２の従来構成についても大きな波長依存性が生じてしまうという問題点がある。
本発明は上記のような問題点に着目してなされたもので、小型で波長依存性が小さな導波路型偏光子を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため本発明の一態様は、基板に形成された光導波路を伝搬する光の直交する偏波成分のうちの一方の偏波成分のみを透過させる導波路型偏光子において、前記光導波路は、光が一端より入射される直線部と、該直線部の他端に一端が接続された曲がり部と、を有し、前記曲がり部の径方向外側に位置する前記基板の内部で、かつ、前記曲がり部に対して距離を隔てた領域に形成した光吸収部を備え、前記曲がり部より径方向外側にしみ出した他方の偏波成分が前記光吸収部を伝搬して前記光導波路外に導かれることを特徴とするものである。
上記のような構成の導波路型偏光子では、光導波路を伝搬する光の直交する偏波成分のモードの広がり方の違いにより、他方の偏波成分が曲がり部より径方向外側の基板内部にしみ出し、それが光吸収部を伝搬して光導波路外に導かれることで、一方の偏波成分のみが光導波路内を伝搬して出力されるようになる。
上記のような本発明の導波路型偏光子によれば、光導波路の曲がり部より径方向外側の基板内部にしみ出す他方の偏波成分を光吸収部により光導波路外に導くようにしたことで、導波路型偏光子の小型化および波長依存性の低減を同時に実現することが可能になる。
本発明の第１実施形態による導波路型偏光子の構成を示す平面図である。 図１の直線部における各偏波モードの伝搬状態を示す断面図である。 図１の曲がり部における各偏波モードの伝搬状態を示す断面図である。 上記第１実施形態における光波長に対する偏波消光比の関係を測定した一例を示す図である。 上記第１実施形態における光波長に対する偏波消光比の関係を測定した他の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態による導波路型偏光子の構成を示す平面図である。 上記第２実施形態に関する応用例の構成を示す平面図である。 本発明の第３実施形態による導波路型偏光子の構成を示す平面図である。 上記第３実施形態に関する変形例の構成を示す平面図である。 本発明の導波路型偏光子を光変調器に適用した場合の構成例を示す平面図である。 従来の導波路型偏光子の構成例を示す平面図である。 従来の導波路型偏光子の他の構成例を示す平面図である。 図１１の従来構成における光波長に対する偏波消光比の関係を示す図である。
符号の説明
１…基板
２…光導波路
２Ａ，２Ｃ，２Ｅ…直線部
２Ｂ…曲がり部
２Ｄ，２Ｄ１，２Ｄ２…Ｓ字部
３，３Ａ．３Ｂ…光吸収部
４…溝部
２０…マッハツェンダ型光導波路
３１…信号電極
３２…接地電極
４１…駆動回路
４２…終端回路
ｄＳ…光導波路と光吸収部の間隔
ｄＷ…光吸収部の幅
Ｌｒ…光吸収部の長さ
Ｒ０…曲がり部の曲率半径
ｗ…光導波路の幅
以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、全図を通して同一の符号は同一または相当部分を示すものとする。
図１は、本発明の第１実施形態による導波路型偏光子の構成を示す平面図である。
図１において、第１実施形態の導波路型偏光子は、例えば、Ｚ−カットのニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）などを用いた基板１にチタン（Ｔｉ）等の金属を１０００〜１０５０℃で約１０時間拡散させることで形成した光導波路２および光吸収部３を備える。
光導波路２は、例えば、直線部２Ａおよび曲がり部２Ｂを有しており、入射光Ｌが直線部２Ａを通過した後に曲がり部２Ｂを伝搬する構成となっている。ここでは、直線部２Ａおよび曲がり部２Ｂの幅をｗ、曲がり部２Ｂの曲率半径をＲ０とする。
光吸収部３は、曲がり部２Ｂの半径方向外側に位置し、かつ、曲がり部２Ｂに対して距離ｄＳを隔てて形成されている。ここでは、光吸収部３の幅をｄＷ、光吸収部３の曲がり部２Ｂに沿った長さをＬｒとする。ただし、光吸収部３の長さＬｒは、曲がり部２Ｂの曲率半径Ｒ０が大きな場合、図１に示したように直線部２Ａを伝搬する光の光軸方向に対する長さとしてもよい。
上記のような構成の導波路型偏光子では、曲がり部２ＢにおけるＴＭモードおよびＴＥモードの広がり方の違いにより、一方のモードのみが曲がり部２Ｂ内を伝搬し、他方のモードは光吸収部３で吸収されるようになる。
具体的に、例えばＺ−カットのＬｉＮｂＯ３基板１上に形成した直線部２Ａでは、図２の断面図に示すように、ＴＭモードに比べてＴＥモードの方が横方向の閉じ込めが弱くなるため、円形状に広がって伝搬するＴＭモードに対して、ＴＥモードは楕円形状に横方向に広がって伝搬する。このとき、ＴＭモードおよびＴＥモードの各中心軸は直線部２Ａの断面中央付近に位置している。
一方、曲がり部２Ｂでは、図３の断面図に示すように、円形状に広がって伝搬するＴＭモードおよび楕円形状に広がって伝搬するＴＥモードの各中心軸が、曲がり部２Ｂの径方向外側にそれぞれずれるようになる。曲がり部２Ｂの径方向外側には、距離ｄＳを隔てて光吸収部３が形成されており、曲がり部２Ｂより径方向外側にしみ出して光吸収部３に漏れたＴＥモードは光吸収部３内を伝搬するようになり、曲がり部２Ｂには殆ど戻ってこなくなる。その結果、曲がり部２Ｂを伝搬するＴＥモードの光強度が減衰し、偏光子として機能するようになる。
上記のような曲がり部２Ｂにおける各モードの広がり方の違いに着目して曲がり部２Ｂの径方向外側に光吸収部３を設けた構成は、上述の図１１に示した従来構成のように直線導波路１０２の両側方に形成した放射領域１０３が方向性結合器として作用するものとは異なるため、波長依存性を小さくすることができる。
図４は、第１実施形態の導波路型偏光子における光波長に対する偏波消光比の関係を測定した一例である。なお、ここでは、直線部２Ａおよび曲がり部２Ｂの幅ｗを７μｍ、曲がり部２Ｂの曲率半径Ｒ０を３０ｍｍ、曲がり部２Ｂと光吸収部３との間隔ｄＳを２μｍ、光吸収部３の幅ｄＷを５０μｍ、光吸収部３の長さＬｒを４ｍｍとした評価サンプルを使用して測定を行っている。
図４の測定結果では、１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの広い波長範囲に亘って２０ｄＢ以上の偏波消光比を実現することが可能になっている。一方、上述の図１３に示した従来構成の測定結果では、１５４０ｎｍ〜１５６０ｎｍの狭い波長範囲でしか２０ｄＢ以上の偏波消光比を実現できておらず、図１の構成の適用によって導波路型偏光子の波長依存性を効果的に低減可能であることが分かる。
また、上記図４の測定で用いた評価サンプルについて、曲がり部２Ｂの曲率半径Ｒ０を２０，２５，３５ｍｍに変化させると共に光吸収部３の長さＬｒを４ｍｍから２ｍｍにした場合の同様の測定結果を図５に示す。この図５の測定結果によれば、光吸収部３の長さＬｒを２ｍｍに短くした場合でも、曲がり部２Ｂの曲率半径Ｒ０を２０ｍｍとすることで、１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの広い波長範囲に亘って２０ｄＢ以上の偏波消光比を実現できることが分かる。これは、曲がり部２Ｂの曲率半径Ｒ０を小さくすることで曲がり部２Ｂより径方向外側にしみ出すＴＥモードが増加するようになり、光吸収部３の長さＬｒが短くてもＴＥモードを効果的に吸収できるためである。このように曲がり部２Ｂの曲率半径Ｒ０および光吸収部３の長さＬｒが短くなれば、導波路型偏光子全体のサイズをより小さくすることができる。
上記のように第１実施形態によれば、通常の光導波路デバイスと同様の作製工程を適用して、小型で波長依存性が小さな導波路型偏光子を実現することが可能になる。
なお、上記の第１実施形態では、基板１の材料としてＬｉＮｂＯ３やＬｉＴａＯ３等を用いる場合について説明したが、本発明はこれに限らず、光導波路デバイスに用いられる公知のＴＭとＴＥで屈折率の異なる基板材料を適用することが可能である。また、Ｔｉ等の金属の拡散によって基板１に光導波路２および光吸収部３を形成する一例を示したが、金属拡散以外の公知方法により光導波路２および光吸収部３を形成することも勿論可能である。
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図６は、本発明の第２実施形態による導波路型偏光子の構成を示す平面図である。
図６において、第２実施形態の導波路型偏光子は、基板１に形成される光導波路２が曲がり部２Ｂの前後に直線部２Ａ，２Ｃを有し、光が直線部２Ａ、曲がり部２Ｂおよび直線部２Ｃを順に伝搬する場合について、曲がり部２Ｂの径方向外側に対応した直線部２Ｃの側方に位置し、かつ、直線部２Ｃに対して距離を隔てた領域に光吸収部３を形成するようにしたものである。
このような構成の導波路型偏光子では、前述した図２および図３の場合と同様の状態で各偏波モードが直線部２Ａおよび曲がり部２Ｂを伝搬することにより、ＴＭモードは曲がり部２Ｂから直線部２Ｃに導かれる一方、ＴＥモードは曲がり部２Ｂより径方向外側にしみ出し、その大部分が光吸収部３に漏れて光吸収部３内を伝搬するようになる。その結果、直線部２Ｃを伝搬するＴＥモードの光強度が減衰し、偏光子として機能するようになる。
したがって、曲がり部２Ｂの前後に直線部２Ａ，２Ｃを有する光導波路構造の第２実施形態についても前述した第１実施形態の場合と同様の効果を得ることが可能である。
なお、上記の第２実施形態の応用例として、図７に示すように、曲がり部２Ｂの径方向外側に位置し、かつ、曲がり部２Ｂに近接する領域に溝部４を設けるようにしてもよい。この溝部４は、基板１をエッチング等することによって形成される。このような構成では、曲がり部２ＢにおいてＴＭモードが効果的に閉じ込められるようになる一方、曲がり部２Ｂより径方向外側にしみ出したＴＥモードは溝部４を通過して光吸収部３内を伝搬するようになる。よって、上記のような溝部４を設けることにより、ＴＭモードの損失を増加させることなく曲がり部２Ｂの曲率半径Ｒ０をより小さくすることができ、導波路型偏光子をさらに小型化することが可能になる。
ここでは、Ｚ−カットのＬｉＮｂＯ３基板での説明をしているが、Ｘ−カットでＹ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板を用いてもよい。その場合、Ｚ−カットとは逆に、ＴＥモードよりもＴＭモードの方が横に広がるので、ＴＭカットの偏光子が可能となる。
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図８は、本発明の第３実施形態による導波路型偏光子の構成を示す平面図である。
図８において、第３実施形態の導波路型偏光子は、基板１に形成される光導波路２がＳ字部２Ｄを含み、光が直線部２Ａ、Ｓ字部２Ｄおよび直線部２Ｃを順に伝搬する場合について、Ｓ字部２Ｄの変曲点Ｐより光入力側にある曲がり部分２Ｄ１の径方向外側に位置し、かつ、変曲点Ｐ付近のＳ字部２Ｄに対して距離を隔てた領域に光吸収部３Ａを形成すると共に、Ｓ字部２Ｄの変曲点Ｐより光出力側にある曲がり部分２Ｄ２の径方向外側に対応した直線部２Ｃの側方に位置し、かつ、直線部２Ｃに対して距離を隔てた領域に光吸収部３Ｂを形成するようにしたものである。
このような構成の導波路型偏光子では、前述した図２および図３の場合と同様の状態で各偏波モードが直線部２ＡおよびＳ字部２Ｄの前半の曲がり部分２Ｄ１を伝搬することにより、ＴＭモードはＳ字部２Ｄの後半部分２Ｄ２に導かれる一方、ＴＥモードはＳ字部２Ｄの前半の曲がり部分２Ｄ１より径方向外側にしみ出し、その大部分が光吸収部３Ａに漏れて光吸収部３Ａ内を伝搬するようになる。さらに、光吸収部３Ａを伝搬せずに変曲点Ｐを通過したＴＥモードは、Ｓ字部２Ｄの後半の曲がり部分２Ｄ２より径方向外側にしみ出し、その殆どが光吸収部３Ｂに漏れて光吸収部３Ｂ内を伝搬するようになる。なお、ＴＭモードはＳ字部２Ｄの後半の曲がり部分２Ｄ２から直線部２Ｃに導かれる。その結果、直線部２Ｃを伝搬するＴＥモードの光強度が減衰し、偏光子として機能するようになる。
したがって、Ｓ字部２Ｄを含んだ光導波路構造の第３実施形態についても前述した第１実施形態の場合と同様の効果を得ることが可能である。また、Ｓ字部２Ｄの変曲点Ｐ付近に設けた光吸収部３Ａと、直線部２Ｃの側方に設けた光吸収部３Ｂとの２箇所でＴＥモードを減衰させることができるため、より優れた偏波消光比を実現することが可能である。
なお、上記の第３実施形態の変形例として、図９に示すように、Ｓ字部の前半の曲がり部分２Ｄ１と後半の曲がり部分２Ｄ２の間に直線部２Ｅを設けて、Ｓ字部の前半の曲がり部分２Ｄ１の径方向外側に対応した直線部２Ｅの側方に位置し、かつ、直線部２Ｅに対して距離を隔てた領域に光吸収部３Ａを形成するようにしてもよい。このような構成では、光吸収部３Ａの形状が単純化されるので、パターン設計を容易に行うことが可能になる。
次に、上述した本発明による導波路型偏光子を適用した光導波路デバイスの一例について説明する。
図１０は、本発明の導波路型偏光子を光変調器に適用した場合の構成例を示す平面図である。
図１０に示す構成例では、上述の図８に示した第３実施形態の導波路型偏光子が、公知のマッハツェンダ型光変調器の出力部分Ａに組み込まれている。具体的には、入力導波路２０Ａ、分岐部２０Ｂ、分岐導波路２０Ｃ，２０Ｃ’、合波部２０Ｄおよび出力導波路２０Ｅからなるマッハツェンダ型光導波路２０が金属拡散により基板１に形成されていると共に、該マッハツェンダ型光導波路２０の出力導波路２０Ｅを上述した導波路型偏光子における光導波路２の直線部２Ａと共通化して、Ｓ字部２Ｄおよび直線部２Ｃ、並びに、光吸収部３Ａ，３Ｂが金属拡散により基板１に形成されている。また、マッハツェンダ型光導波路２０上には信号電極３１および接地電極３２が分岐導波路２０Ｃ，２０Ｃ’に沿って形成されており、駆動回路４１から出力される変調信号が信号電極３１の一端に与えられる。信号電極３１の他端には終端回路４２が接続されている。
上記のような構成の光変調器では、マッハツェンダ型光導波路２０に入力された光ＬＩＮが信号電極３１に印加される変調信号に従って変調され、その変調光に含まれる直交する偏波成分のうちの一方の偏波成分（例えば、ＴＭモード）のみがＳ字部２Ｄを伝搬して直線部２Ｃから出力される。これにより、小型で良好な偏波消光比を有するマッハツェンダ型光変調器を実現することが可能になる。
なお、上記の説明では、公知のマッハツェンダ型光変調器と第３実施形態の導波路型偏光子とを組み合わせた一例を示したが、他の実施形態の導波路型偏光子を組み合わせることも勿論可能である。また、本発明の導波路型偏光子を適用可能な光導波路デバイスは、マッハツェンダ型光変調器に限定されるものではなく、直交する偏波成分のうちの一方のみを処理する各種の光導波路デバイスに対して本発明の導波路型偏光子は有効である。さらに、上記の例は、出力側に導波路型偏光子を形成しているが、入力側に、もしくは、途中の曲がり導波路が形成されている箇所に形成してもよい。

Claims (8)

  1. 基板に形成された光導波路を伝搬する光の直交する偏波成分のうちの一方の偏波成分のみを伝搬させる導波路型偏光子において、
    前記光導波路は、光が一端より入射される直線部と、該直線部の他端に一端が接続された曲がり部と、を有し、
    前記曲がり部の径方向外側に位置する前記基板の内部で、かつ、前記曲がり部に対して距離を隔てた領域に形成した光吸収部を備え、
    前記曲がり部より径方向外側にしみ出した他方の偏波成分が前記光吸収部を伝搬して前記光導波路外に導かれることを特徴とする導波路型偏光子。
  2. 基板に形成された光導波路を伝搬する光の直交する偏波成分のうちの一方の偏波成分のみを伝搬させる導波路型偏光子において、
    前記光導波路は、光が一端より入射される第１直線部と、該第１直線部の他端に一端が接続された曲がり部と、該曲がり部の他端に一端が接続された第２直線部と、を有し、
    前記曲がり部の径方向外側に対応した前記第２直線部の側方に位置する前記基板の内部で、かつ、前記第２直線部に対して距離を隔てた領域に形成した光吸収部を備え、
    前記曲がり部より径方向外側にしみ出した他方の偏波成分が前記光吸収部を伝搬して前記光導波路外に導かれることを特徴とする導波路型偏光子。
  3. 前記曲がり部の径方向外側に位置し、かつ、前記曲がり部に近接する領域に形成された溝部を備えたことを特徴とする請求項２に記載の導波路型偏光子。
  4. 基板に形成された光導波路を伝搬する光の直交する偏波成分のうちの一方の偏波成分のみを伝搬させる導波路型偏光子において、
    前記光導波路は、光が一端より入射される第１直線部と、該第１直線部の他端に一端が接続されたＳ字部と、該Ｓ字部の他端に一端が接続された第２直線部と、を有し、
    前記Ｓ字部の変曲点より光入力側にある第１曲がり部分の径方向外側に位置する前記基板の内部で、かつ、変曲点付近の前記Ｓ字部に対して距離を隔てた領域に形成した光吸収部を備え、
    前記第１曲がり部分より径方向外側にしみ出した他方の偏波成分が前記光吸収部を伝搬して前記光導波路外に導かれることを特徴とする導波路型偏光子。
  5. 基板に形成された光導波路を伝搬する光の直交する偏波成分のうちの一方の偏波成分のみを伝搬させる導波路型偏光子において、
    前記光導波路は、光が一端より入射される第１直線部と、該第１直線部の他端に一端が接続されたＳ字部と、該Ｓ字部の他端に一端が接続された第２直線部と、を有し、
    前記Ｓ字部の変曲点より光出力側にある第２曲がり部分の径方向外側に対応した前記第２直線部の側方に位置する前記基板の内部で、かつ、前記第２直線部に対して距離を隔てた領域に形成した光吸収部を備え、
    前記第２曲がり部分より径方向外側にしみ出した他方の偏波成分が前記光吸収部を伝搬して前記光導波路外に導かれることを特徴とする導波路型偏光子。
  6. 基板に形成された光導波路を伝搬する光の直交する偏波成分のうちの一方の偏波成分のみを伝搬させる導波路型偏光子において、
    前記光導波路は、光が一端より入射される第１直線部と、該第１直線部の他端に一端が接続されたＳ字部と、該Ｓ字部の他端に一端が接続された第２直線部と、を有すると共に、前記Ｓ字部の変曲点より光入力側にある第１曲がり部分および光出力側にある第２曲がり部分の間に第３直線部を有し、
    前記第１曲がり部分の径方向外側に対応した前記第３直線部の側方に位置する前記基板の内部で、かつ、前記第３直線部に対して距離を隔てた領域に形成した光吸収部を備え、
    前記第１曲がり部分より径方向外側にしみ出した他方の偏波成分が前記光吸収部を伝搬して前記光導波路外に導かれることを特徴とする導波路型偏光子。
  7. 前記光導波路および前記光吸収部は、前記基板に金属を拡散させることで形成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の導波路型偏光子。
  8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の導波路型偏光子を備えて構成されたことを特徴とする光導波路デバイス。
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