JP5520393B2

JP5520393B2 - 導波路型偏波ビームスプリッタ

Info

Publication number: JP5520393B2
Application number: JP2012554692A
Authority: JP
Inventors: 隆志才田; 悠介那須; 隆之水野; 亮一笠原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2012-01-25
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2032-01-25
Also published as: WO2012102041A1; CA2825638C; US9323000B2; JPWO2012102041A1; CA2825638A1; CN103339540B; US20130301977A1; CN103339540A

Description

本発明は、導波路型偏波ビームスプリッタに関し、より詳細には、偏波を合分岐する導波路型偏波ビームスプリッタに関する。

大容量光通信に向けて偏波多重された光信号の利用が進んでおり、偏波を合分岐する偏波ビームスプリッタの重要性が増している。特に導波路型偏波ビームスプリッタは、カプラや遅延干渉計、光ハイブリッドなど他の導波路型デバイスと一体集積できることから注目されている。導波路型偏波ビームスプリッタは一般に、マッハツェンダ型干渉計（ＭＺＩ）の構成でＴＥ偏光とＴＭ偏光との間にπの位相差を設けて、ＴＥ偏光の干渉計での位相差を０（あるいはπ）とし、ＴＭ偏光の干渉計での位相差をπ（あるいは０）とすることで偏波合分岐機能を実現する。

図１に、従来の導波路型偏波ビームスプリッタの例を示す。従来の導波路型偏波ビームスプリッタは入力用光導波路１０１ａ、１０１ｂと、第１の光カプラ１０２と、一対の導波路アーム１０３と、導波路アームを横断するように設けた溝１０４と、溝１０４に挿入された０度および９０度の角度の四分の一波長板１０５ａ、１０５ｂと、第２の光カプラ１０６と、出力用光導波路１０７ａ、１０７ｂから構成されている（特許文献１参照）。この手法は、偏波間の位相差を両アームに挿入された波長板によって付与するため、温度特性に優れた偏波ビームスプリッタを実現できる特徴がある。

特開平７−９２３２６号公報

しかしながら、従来の構成には、波長依存性が大きいという問題があった。図１の構成では第１の光カプラ１０２および第２の光カプラ１０６に方向性結合器を用いているために、方向性結合器自体の波長依存性が生じる。また、四分の一波長板１０５は、直交する偏波ＴＥおよびＴＭにそれぞれ、±９０度の位相を与えるため、偏波ビームスプリッタ動作のためには導波路アーム１０３ａあるいは１０３ｂのいずれかに四分の一波長の遅延部を設ける必要がある。この遅延部は波長依存性を有するため、偏波ビームスプリッタの特性は劣化する。

図２は、理想的に製造された場合の、従来の導波路型偏波ビームスプリッタの波長特性を示す図である。図２より分かるように、従来の導波路型偏波ビームスプリッタでは理想的に製造された場合であっても波長範囲１．５３〜１．５６５ミクロンの範囲で、消光比は２５ｄＢ以下まで劣化する。

図３は、製造トレランスを考慮した場合の、従来の導波路型偏波ビームスプリッタのヒストグラムを示している。製造トレランスを考慮しても、ポート１の消光比は２５ｄＢ以下となっている。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、温度変化および波長変化による偏波消光比の劣化を抑制した導波路型偏波ビームスプリッタを提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、基板上に形成された導波路型偏波ビームスプリッタであって、１本または２本の入力用光導波路と、前記１本または２本の入力用光導波路に光学的に結合された２入力２出力の第１の多モード干渉光カプラと、前記第１の多モード干渉光カプラの出力に光学的に結合された一対の光導波路アームと、前記一対の光導波路アームに光学的に結合された２入力２出力の第２の多モード干渉光カプラと、前記第２の多モード干渉光カプラの出力に光学的に結合された１本または２本の出力用光導波路とを備える。そして、前記一対の光導波路アームの一方に四分の一波長の遅延が設けられており、前記一対の光導波路アームの両方のアームを横断するように溝が設けられ、前記溝に、前記一対の光導波路アームの各アームをそれぞれ横断するように２枚の四分の一波長板が挿入され、前記２枚の四分の一波長板は、互いに偏波軸が直交していることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、入力用光導波路または出力用光導波路の少なくともいずれか一方が１本の光導波路であり、前記１本の光導波路と、前記１本の光導波路と結合された多モード干渉光カプラを介して対向する側の光導波路アームに、前記四分の一波長の遅延が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記２枚の四分の一波長板のうちの一方の偏波主軸の角度は、導波路の基板平面に対して０度をなし、前記２枚の四分の一波長板のうちの他方の偏波主軸の角度は、導波路の基板平面に対して９０度をなしていることを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第１から第３のいずれかの態様において、前記２枚の四分の一波長板がそれぞれ、ポリイミド波長板であることを特徴とする。

また、本発明の第５の態様は、第１から第４のいずれかの態様において、前記溝の前後にテーパ部をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明の第６の態様は、第１から第５のいずれかの態様において、前記光導波路がシリコン基板上に形成された石英系光導波路であることを特徴とする。

ＭＺＩを構成する一対の光導波路アームの両方のアームを横断するように溝が設けられ、当該溝に、一対の光導波路アームの各アームをそれぞれ横断するように２枚の四分の一波長板が挿入され、これら２枚の四分の一波長板として、互いに偏波軸が直交するものを用い、カプラとして２入力２出力多モード干渉光カプラを用いることで、波長変化および温度変化による偏波消光比の劣化を抑制した導波路型偏波ビームスプリッタを提供することができる。

従来の導波路型偏波ビームスプリッタを示す図である。従来の導波路型偏波ビームスプリッタの偏波消光比の波長依存性を示す図である。従来の導波路型偏波ビームスプリッタの偏波消光比のヒストグラムを示す図である。本発明の第１の実施形態に係る導波路型偏波ビームスプリッタを示す図である。図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る導波路型偏波ビームスプリッタの偏波消光比の波長依存性を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る導波路型偏波ビームスプリッタの偏波消光比のヒストグラムを示す図である。本発明の第２の実施形態に係る導波路型偏波ビームスプリッタを示す図である。本発明の第２の実施形態に係る導波路型偏波ビームスプリッタの偏波消光比の波長依存性を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る導波路型偏波ビームスプリッタの偏波消光比のヒストグラムを示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図４に、第１の実施形態に係る導波路型偏波ビームスプリッタを示す。導波路型偏波ビームスプリッタは、２本の入力用光導波路１１（即ち、１１ａおよび１１ｂ）と、２本の入力用光導波路１１に光学的に結合された１入力２出力の第１の多モード干渉光カプラ１２と、第１の多モード干渉光カプラの出力に光学的に結合された一対の光導波路アーム１３（即ち、１３ａおよび１３ｂ）と、一対の光導波路アーム１３ａおよび１３ｂに光学的に結合された２入力２出力の第２の多モード干渉光カプラ１８と、第２の多モード干渉光カプラ１８の出力に光学的に結合された２本の出力用光導波路１９ａ、１９ｂとを備える。一対の光導波路アームの一方１３ｂには、四分の一波長の遅延２２が設けられている。第１の多モード干渉光カプラ１２、一対の光導波路アーム１３、および第２の多モード干渉光カプラ１８がＭＺＩを構成する。

本実施形態による導波路型偏波ビームスプリッタでは、一対の光導波路アーム１３に、両方のアーム１３ａ、１３ｂを横断するように溝１５が形成されており、溝１５には、各アーム１３ａ、１３ｂをそれぞれ横断するように２枚の四分の一波長板１６ａ、１６ｂが設けられている。２枚の四分の一波長板１６ａ、１６ｂは、互いに偏波軸が直交するものを用いている。このような構成にすることで、２つのアーム１３ａ、１３ｂは、挿入されている波長板も含めて、偏波軸方向を除き完全に対称となるので、温度依存性が小さくなる。

一対の光導波路アーム１３を構成する各アーム１３ａ、１３ｂは、例えば、シリコン基板上の比屈折率差１．５％の石英系光導波路とすることができる。光ファイバとの接続損失小が０．６ｄＢ／点未満となる利点や、量産性および制御性に優れるという利点がある。

入力光導波路の本数を２、出力光導波路の本数を２としたが、これはこの組み合わせによって２本の入力光導波路に入力された偏波の合成する、いずれか１本の入力導波路に入力された偏波を２本の出力光導波路に分岐するなど、偏波ビームスプリッタとしての全ての機能が実現可能な導波路型偏波ビームスプリッタが提供できるからである。しかしながら、本発明はこの組み合わせに限定されるものではなく、入力用光導波路の本数は１でもよく、出力光導波路の本数も１でももちろん構わない。

四分の一波長板１６ａ、１６ｂは、ポリイミドから作製することができる。ポリイミドは薄いので、四分の一波長板１６ａ、１６ｂを挿入する溝１５を例えば２０μｍ未満等に狭くすることができる。偏波軸の角度は、一対の光導波路アーム１３ａおよび１３ｂが形成されている平面の垂線に対して、０度と９０度とすると分離される偏波が直線偏波となり、取り扱いが容易となる。

溝１５における過剰損失を低減するために、溝１５の前後の導波路部分にテーパ部１４ａ、１４ｂ、１７ａ、１７ｂを設けてもよい。テーパ部の終端幅は、１０μｍ以上とするのが好ましい。

図５に、図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図を示す。基板１０の上に２つのアーム１３ａ、１３ｂが形成されており、それぞれのコアを横断するように四分の一波長板１６ａ、１６ｂが設けられる。

図２に示した例とは対照的に、本実施形態による導波路型偏波ビームスプリッタでは図６に示すように偏波消光比の波長依存性が大幅に低減されている。

また、図３に示した例とは対照的に、本実施形態による導波路型偏波ビームスプリッタでは図７に示すように製造トレランスを考慮した場合の偏波消光比としても２８ｄＢ以上を確保することができる。

（第２の実施形態）
図８に、第２の実施形態に係る導波路型偏波ビームスプリッタを示す。導波路型偏波ビームスプリッタは、１本の入力用光導波路１１と、１本の入力用光導波路１１に光学的に結合された２入力２出力の第１の多モード干渉光カプラ１２と、第１の多モード干渉光カプラの出力に光学的に結合された一対の光導波路アーム１３（即ち、１３ａおよび１３ｂ）と、一対の光導波路アーム１３ａおよび１３ｂに光学的に結合された２入力２出力の第２の多モード干渉光カプラ１８と、第２の多モード干渉光カプラ１８に光学的に結合された２本の出力用光導波路１９ａ、１９ｂとを備える。一対の光導波路アーム１３ａ、１３ｂのうちの、入力用光導波路１１と多モード干渉光カプラ１２を介して対向する光導波路アーム１３ａには、四分の一波長の遅延２２が設けられている。第１の多モード光カプラ１２、一対の光導波路アーム１３（即ち、１３ａおよび１３ｂ）、および第２の光カプラ１８がＭＺＩを構成する。

本実施形態による導波路型偏波ビームスプリッタでは、入力用光導波路１１と多モード干渉光カプラ１２を介して対向する光導波路アーム１３ａに、四分の一波長の遅延２２が設けられているので、遅延部の波長依存性を多モード干渉光カプラの波長依存性で打ち消すことで、波長依存性に優れた導波路型偏波ビームスプリッタを提供することができる。

両方のアーム１３ａ、１３ｂを横断するように溝１５が形成されており、溝１５には、各アーム１３ａ、１３ｂをそれぞれ横断するように２枚の四分の一波長板１６ａ、１６ｂが設けられている。２枚の四分の一波長板１６ａ、１６ｂは、互いに偏波軸が直交するものを用いている。このような構成にすることで、２つのアーム１３ａ、１３ｂは、挿入されている波長板も含めて、偏波軸方向を除き完全に対称となるので、温度依存性が小さくなる。

出力光導波路の本数は２としたが、これは１本の入力導波路に入力された偏波を２本の出力光導波路に分岐する機能を実現可能な、導波路型偏波ビームスプリッタを提供することができるからである。しかしながら、本発明はこの実施形態の組み合わせに限定されるものではなく、出力光導波路の本数は１でも構わない。

図２に示した例とは対照的に、本実施形態による導波路型偏波ビームスプリッタでは図９に示すように偏波消光比の波長依存性が大幅に低減されている。

また、図３に示した例とは対照的に、本実施形態による導波路型偏波ビームスプリッタでは図１０に示すように製造トレランスを考慮した場合の偏波消光比としても２５ｄＢ以上を確保することができる。

１０１、１１入力用光導波路
１０２、１２第１の光カプラ
１０３、１３一対の光導波路アーム
１０４、１５導波路溝
１４、１７テーパ光導波路あるいはパラボラ光導波路
１０５、１６四分の一波長板
１０６、１８第２の光カプラ
１０７、１９出力用光導波路
２０クラッド
２１コア
２２遅延

Claims

基板上に形成された導波路型偏波ビームスプリッタであって、
１本または２本の入力用光導波路と、
前記１本または２本の入力用光導波路に光学的に結合された２入力２出力の第１の多モード干渉光カプラと、
前記第１の多モード干渉光カプラの出力に光学的に結合された一対の光導波路アームと、
前記一対の光導波路アームに光学的に結合された２入力２出力の第２の多モード干渉光カプラと、
前記第２の多モード干渉光カプラの出力に光学的に結合された１本または２本の出力用光導波路と
を備え、
前記一対の光導波路アームの一方に四分の一波長の遅延が設けられており、
前記一対の光導波路アームの両方のアームを横断するように溝が設けられ、前記溝に、前記一対の光導波路アームの各アームをそれぞれ横断するように２枚の四分の一波長板が挿入され、前記２枚の四分の一波長板は、互いに偏波軸が直交しており、
前記四分の一波長の遅延の波長依存性は、前記第１の多モード干渉光カプラおよび前記第２の多モード干渉光カプラの波長依存性で打ち消されていることを特徴とする導波路型偏波ビームスプリッタ。
入力用光導波路または出力用光導波路の少なくともいずれか一方が１本の光導波路であり、
前記１本の光導波路と、前記１本の光導波路と結合された多モード干渉光カプラを介して対向する側の光導波路アームに、前記四分の一波長の遅延が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の導波路型偏波ビームスプリッタ。
前記２枚の四分の一波長板のうちの一方の偏波主軸の角度は、導波路の基板平面に対して０度をなし、前記２枚の四分の一波長板のうちの他方の偏波主軸の角度は、導波路の基板平面に対して９０度をなしていることを特徴とする請求項１または２に記載の導波路型偏波ビームスプリッタ。
前記２枚の四分の一波長板はそれぞれ、ポリイミド波長板であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の導波路型偏波ビームスプリッタ。
前記一対の光導波路アームの両方のアームは、前記溝の前後にテーパ部をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の導波路型偏波ビームスプリッタ。
前記光導波路はシリコン基板上に形成された石英系光導波路であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の導波路型偏波ビームスプリッタ。