JP5541981B2 - 偏波無依存光導波路デバイス - Google Patents

Description

本発明は、光導波路デバイスに係わり、さらに詳細には偏波無依存な光導波路デバイスの構成に関する。

インターネットの爆発的普及に伴い、光通信の大容量化に向けた研究開発が精力的に行われている。このような、大容量光通信では偏波依存損失（ＰＤＬ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ）や偏波モード分散（ＰＭＤ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）が信号品質劣化を引き起こすために、光通信に使用される光フィルタや信号復調のための光導波路デバイスにはさらなる偏波無依存化が求められている。

従来、このような光導波路を偏波無依存化するための手段としては、干渉計の中央にＴＥ偏光とＴＭ偏光を入れ替えるような波長板を挿入する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１に、従来の偏波無依存光導波路デバイスの構成図を示す。
図１において、基板１００上にはマッハツェンダ干渉計が形成されており、前記マッハツェンダ干渉計には、入力用光導波路１０１と、入力用光導波路１０１から入力された光を分岐する光合分岐回路１０２ａと、光合分岐回路１０２ａの出力に光学的に接続された一対の光遅延導波路１０３と、一対の光遅延導波路１０３に接続された光合分岐回路１０２ｂと、光合分岐回路１０２ｂの出力に光学的に接続された出力用光導波路１０６とを備えている。前記光遅延導波路１０３の中央には光導波路を横断するように溝１０４が形成されており、溝１０４には、ＴＥ偏光とＴＭ偏光を入れ替えるために基板平面に対して４５度の主軸傾きを有する半波長板１０５が挿入されている。複屈折を有する光導波路では光遅延線部での光の位相回転は、ＴＥ偏光とＴＭ偏光で異なるために、光導波路デバイス全体として偏波依存性を有することになるが、このような構成とすることにより、干渉計に入力されたＴＥ偏光は途中でＴＭ偏光へと変換され、干渉計に入力されたＴＭ偏光は、途中でＴＥ偏光へと変換されることにより、全体として光はＴＥ偏光とＴＭ偏光の影響を等しくうけることにより偏波依存性が解消される。

特許第３５０１２３５号明細書

しかしながら、上述した従来の光導波路デバイスでは、以下に述べる問題があった。

従来の光導波路デバイスでは、波長板によりＴＥ偏光とＴＭ偏光を入れ替えることにより導波路が有する複屈折の影響を相殺していた。しかしながら光合分岐回路や曲げ導波路などで一般に生じる偏波変換については、４５度の半波長板では相殺することはできなかった。特に複屈折の小さな光導波路では、複屈折に起因するＴＥ偏光とＴＭ偏光の遅延差よりも、光合分岐回路や曲げ導波路での偏波変換のほうが光導波路デバイス全体の偏波特性に与える影響は大きくなる。

上記課題を解決するための、本発明の請求項１に記載の光導波路デバイスは、基板上に形成され、入力用光導波路と出力用光導波路とを有し、少なくとも１つの光干渉回路を内包する光導波路デバイスであって、前記光干渉回路は入力を分岐する光合分岐回路と、分岐された各々の光信号を遅延させる複数の光遅延導波路と、それぞれの前記光遅延線導波路からの光を合波する光合分岐回路を備え、前記複数の光遅延導波路がＴＥ偏光とＴＭ偏光の間にπの位相差を付与する偏光間位相差付与手段を備え、前記偏光間位相差付与手段が前記複数の光遅延導波路を横断するように形成された溝に基板平面に対して主軸が垂直あるいは水平の角度を有するように挿入された１枚の半波長板であることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の光導波路デバイスは、基板上に形成され、入力用光導波路と出力用光導波路とを有し、少なくとも１つの光干渉回路を内包する光導波路デバイスであって、前記光干渉回路は、入力を分岐する光合分岐回路と、分岐された各々の光信号を遅延させる複数の光遅延導波路と、それぞれの前記光遅延導波路からの光を合波する光合分岐回路とを備え、前記複数の光遅延導波路がＴＥ偏光とＴＭ偏光の間にπの位相差を付与する偏光間位相差付与手段を備え、前記偏光間位相差付与手段が前記複数の光遅延導波路に応力を付与する応力発生手段であることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の光導波路デバイスは、前記光干渉回路を構成する光導波回路が、前記偏光間位相差付与手段を挟んで鏡像な形状をしていることを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の光導波路デバイスは、前記光導波路デバイスがマッハツェンダ干渉計であり、前記マッハツェンダ干渉計の２つの経路の中央部に各々前記偏光間位相差付与手段を備えていることを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の光導波路デバイスは、前記光導波路デバイスがマッハツェンダ干渉計とアレイ導波路格子フィルタのタンデム接続により構成されており、前記マッハツェンダ干渉計の２つの経路の中央部に各々前記偏光間位相差付与手段を備えていることを特徴とする。

以上、説明したように、本発明の光導波路デバイスを使用すれば、偏波依存性を低減した光導波路デバイスを提供できる。

従来の光導波路デバイスの構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光導波路デバイスの構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光導波路デバイスの特性を示す図である。 本発明の光導波路デバイスの偏波無依存化の原理説明を示す図である。 本発明の第１の実施形態の第１の変形に係る光導波路デバイスの構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態の第２の変形に係る光導波路デバイスの構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光導波路デバイスの構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光導波路デバイスの特性を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光導波路デバイスの特性を示す図である。

以下、図面を使用して本発明の実施形態を説明する。なお、図面中で同じ番号は同じ機能を有する要素に付与している。

［第１の実施形態］
図２に、本発明の第１の実施形態に係る光導波路デバイスの構成図を示す。
図２において、基板１００上にはマッハツェンダ干渉計が形成されており、前記マッハツェンダ干渉計には、入力用光導波路１０１と、入力用光導波路１０１から入力された光を分岐する光合分岐回路１０２ａと、光合分岐回路１０２ａの出力に光学的に接続された一対の光遅延導波路１０３と、一対の光遅延導波路１０３に接続された光合分岐回路１０２ｂと、光合分岐回路１０２ｂの出力に光学的に接続された出力用光導波路１０６とを備えている。前記光遅延導波路１０３の中央には光導波路を横断するように溝１０４が形成されており、溝１０４には、ＴＥ偏光とＴＭ偏光を入れ替えるために基板平面に対して９０度の主軸傾きを有する半波長板１０７が挿入されている。

ここで、第１の実施形態では半波長板１０７の主軸角度が基板平面に対して９０度であるとしたが、これはＴＥ偏光とＴＭ偏光の間にπの位相差を付与するためであり、主軸角度を０度としても同様にＴＥ偏光とＴＭ偏光の間にπの位相差を付与することができる。したがって本発明における半波長板１０７の主軸が基板となす角度は９０度に限定されるものではなく、基板に対して垂直あるいは水平な角度をなしていれば、本発明の効果が得られることを付記しておく。

図２に、示したマッハツェンダ干渉計は、例えば、大容量光伝送で使用されるＤＰＳＫやＤＱＰＳＫといった差動位相変調フォーマットの復調器として使用される。このような復調器では透過ピーク周波数の偏波依存性（ＰＤｆ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔ）が復調器としての主要性能指数となる。

図３に、示したグラフは、横軸に導波路の複屈折（Ｂ値＝ＴＥ偏光に対する屈折率とＴＭ偏光に対する屈折率の差）をとって、復調器の主要性能指標であるＰＤｆを計算した結果である。半波長板を使用しないマッハツェンダ干渉計のＰＤｆを一点鎖線で、基板に対して主軸を４５度傾けた半波長板を使用した従来のマッハツェンダ干渉計のＰＤｆを点線で、本発明の第１の実施形態に係る基板に対して半波長板の主軸を垂直あるいは水平として挿入したマッハツェンダ干渉計のＰＤｆを実線で示している。グラフより、特に導波路の複屈折が小さいところで、本発明の第１の実施形態に係るマッハツェンダ干渉計が優れたＰＤｆ特性を示すことが分かる。また、干渉計の実効的なＢ値が４×１０^−４以下のときに、従来の光導波デバイスと比較して、効果的に偏波依存性を解消できることがわかる。

上記の効果についての説明図を図４に示す。導波路の複屈折が高いときには偏波依存性は主に遅延部のＴＥ偏光とＴＭ偏光の位相回転差から生じる。このとき偏光状態を表すポアンカレ球上では、偏光はＳ_１軸を中心に回転する軌跡をとる。一方、基板に対して主軸を４５度傾けた半波長板は偏光をＳ_２軸を中心として１８０度回転させる機能を有するため、導波路の中央部までＳ_１軸を中心に回転した偏光は、主軸を４５度傾けた半波長板通過後は、Ｓ_１軸を中心に反対方向に回転することになり、結果として元の偏光状態に戻る。しかしながら導波路の複屈折が低くなってくると偏波依存性は、主に導波路曲げ部や合分岐回路における偏波変換により生じる。このとき、偏光状態のポアンカレ球上の軌跡は、Ｓ_２軸を中心とした回転となる。したがって、同じくＳ_２軸上の回転である主軸を４５度傾けた半波長板では回転方向を反転させることはできない。これに対して主軸を０度あるいは９０度傾けた半波長板は、偏光をＳ_１軸を中心に１８０度回転させるので、上記の偏波変換によるＳ_２軸を中心とした回転の回転方向を反転でき、結果として偏波依存性を解消できる。

以上、説明したように、第１の実施形態の構成をとることにより光導波路デバイスの偏波無依存化を図ることができる。

［第１の実施形態の第１の変形］（請求項１、請求項４）
図５に、第１の実施形態の第１の変形に係る光導波路デバイスの構成図を示す。図２に示した第１の実施形態に係るマッハツェンダ干渉計と同じ構成要素を有しているが、溝１０４および基板平面に対して９０度の主軸傾きを有する半波長板１０７は、遅延導波路の中央からずれた位置に形成されている。一般に、直線導波路での偏波変換量は極めて小さいのでこのような構成にしても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第１の実施形態の第２の変形］（請求項１、請求項２、請求項３、請求項４）
図６に、第１の実施形態の第２の変形に係る光導波路デバイスの構成図を示す。図２に示した第１の実施形態に係るマッハツェンダ干渉計と同じ構成要素を有しているが、溝１０４および基板平面に対して９０度の主軸傾きを有する半波長板１０７を使用するかわりに複屈折付与部１０８を使用してＴＥ偏光とＴＭ偏光の間にπの位相差を生じさせている。このように、波長板を使用せずに導波路の一部に複屈折性を付与することによっても同じ効果を得ることができる。

ここで、導波路の一部に複屈折性をもたせる手段としては、導波路にアモルファスシリコンなど金属を張り付けて複屈折を発生させる方法、導波路の近傍に溝を形成して応力を調整して複屈折を発生させる方法、導波路の幅を広げるなど構造を変化させることで応力を調整して複屈折を発生する手法などを使用することができる。

［第２の実施形態］（請求項１、請求項５）
図７に、第２の実施形態に係る光導波路デバイスの構成図を示す。形成されたマッハツェンダ干渉計を備えるアレイ導波路格子フィルタであり、基板１００上に、入力用光導波路１０１と、入力用光導波路１０１から入力された光を分岐する光合分岐回路１０２ａと、光合分岐回路１０２ａの出力に光学的に接続された一対の光遅延導波路１０３ａと、一対の光遅延導波路１０３ａに接続された光合分岐回路１０２ｂと、光合分岐回路１０２ｂの出力に光学的に接続されたスラブ導波路１０９ａと、スラブ導波路１０９ａに光学的に接続された複数の光遅延導波路１０３ｂと、複数の光遅延導波路１０３ｂに光学的に接続されたスラブ導波路１０９ｂと、スラブ導波路１０９ｂに光学的に接続された出力用光導波路１０６を備えており、前記一対の光遅延導波路１０３ａの中央には光導波路を横断するように溝１０４が形成されており、溝１０４にはＴＥ偏光とＴＭ偏光の間にπの位相差を付与するために基板平面に対して０度の主軸傾きを有する半波長板１０７が挿入されている。

ここで、第２の実施形態では、半波長板１０７の主軸角度が基板平面に対して０度であるとしたが、これはＴＥ偏光とＴＭ偏光の間にπの位相差を付与するためであり、主軸角度を９０度としても同様にＴＥ偏光とＴＭ偏光の間に、πの位相差を付与することができる。したがって本発明における半波長板１０７の主軸が基板となす角度は、０度に限定されるものではなく、基板に対して垂直あるいは水平な角度をなしていれば、本発明の効果が得られることを付記しておく。また、第１の実施形態の第１の変形で示したように、半波長板１０７はマッハツェンダ干渉計の中央になくともよい。さらに、本実施形態では低複屈折導波路でも簡単に偏光間位相差を生じさせることが可能な半波長板１０７を使用することとしたが、第１の実施形態の第２の変形で示したように半波長板１０７のかわりに複屈折付与部１０８を使用しても、もちろん構わない。

図７に示した、アレイ導波路格子フィルタは、大容量光伝送で使用される波長多重された光信号を分離するのに使用される。また、同じ構成で光信号を出力導波路から入力することで光信号を多重することもできる。このようなアレイ導波路格子フィルタには偏波依存損失（ＰＤＬ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ）を低減することが求められる。

図８に、第２の実施形態に係る光導波路デバイスのＰＤＬについて計算を行った結果を示す。横軸は、透過中心光周波数で規格化を行った光周波数である。基板に対して主軸を４５度傾けた半波長板を使用した従来のアレイ導波路格子フィルタのＰＤＬを点線で、本発明の第２の実施形態に係る基板に対して半波長板の主軸を垂直あるいは水平として挿入したアレイ導波路格子フィルタのＰＤＬを実線で示している。図８から分かるように、本発明の第２の実施形態の構成をとることで、ＰＤＬを効果的に低減することができる。

図９に、本発明の第２の実施形態に係るアレイ導波路格子フィルタを実際に作製したときの特性を示す。作製にあたっては基板１００としてはシリコン基板を使用し、光導波路としては埋め込み型の石英系光導波路を使用した。これは、シリコン基板と石英系導波路の組み合わせが量産性と特性を両立するアレイ導波路格子フィルタを実現できるからである。しかしながら本発明は、このシリコン基板と石英系導波路の組み合わせに限定されるものではなく、シリコン導波路やＩｎＰ導波路を使用しても、同様の効果を供することができる。また半波長板としては、ポリイミド製の半波長板を使用している。これはポリイミド製の半波長板が薄くて均一性に優れた特性を提供できるからである。しかしながら本発明はポリイミド製の半波長板に限定されるものではなく、水晶など他の複屈折材料を使用しても、もちろん実現することができる。

図９に、製造したアレイ導波路格子フィルタの透過特性とＰＤＬの波長依存性を示す。実線は本発明の第２の実施形態に係るアレイ導波路格子フィルタの特性を示しており、一点鎖線は半波長板を使用しないアレイ導波路格子フィルタの特性を示している。グラフからも明らかなように、本発明の第２の実施形態に係る構成を採用することで、ＰＤＬを大幅に低減できていることが分かる。

１００ 基板
１０１ 入力用光導波路
１０２ 光合分岐回路
１０３ 光遅延線
１０４ 溝
１０５ 基板に対して主軸が４５度傾いた半波長板
１０６ 出力用光導波路
１０７ 基板に対して主軸が０度あるいは９０度傾いた半波長板
１０８ 複屈折付与部
１０９ スラブ光導波路

Claims (5)

1. 基板上に形成され、入力用光導波路と出力用光導波路とを有し、少なくとも１つの光干渉回路を内包する光導波路デバイスであって、
   前記光干渉回路は、
   入力を分岐する光合分岐回路と、
   分岐された各々の光信号を遅延させる複数の光遅延導波路と、
   それぞれの前記光遅延導波路からの光を合波する光合分岐回路と
   を備え、
   前記複数の光遅延導波路がＴＥ偏光とＴＭ偏光の間にπの位相差を付与する偏光間位相差付与手段を備え、
   前記偏光間位相差付与手段が前記複数の光遅延導波路を横断するように形成された溝に基板平面に対して主軸が垂直あるいは水平の角度を有するように挿入された１枚の半波長板であることを特徴とする光導波路デバイス。
2. 基板上に形成され、入力用光導波路と出力用光導波路とを有し、少なくとも１つの光干渉回路を内包する光導波路デバイスであって、
   前記光干渉回路は、
   入力を分岐する光合分岐回路と、
   分岐された各々の光信号を遅延させる複数の光遅延導波路と、
   それぞれの前記光遅延導波路からの光を合波する光合分岐回路と
   を備え、
   前記複数の光遅延導波路がＴＥ偏光とＴＭ偏光の間にπの位相差を付与する偏光間位相差付与手段を備え、
   前記偏光間位相差付与手段が前記複数の光遅延導波路に応力を付与する応力発生手段であることを特徴とする光導波路デバイス。
3. 前記光干渉回路を構成する光導波回路が、前記偏光間位相差付与手段を挟んで鏡像な形状をしていることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路デバイス。
4. 前記光導波路デバイスがマッハツェンダ干渉計であり、前記マッハツェンダ干渉計の２つの経路の中央部に各々前記偏光間位相差付与手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路デバイス。
5. 前記光導波路デバイスがマッハツェンダ干渉計とアレイ導波路格子フィルタのタンデム接続により構成されており、前記マッハツェンダ干渉計の２つの経路の中央部に各々前記偏光間位相差付与手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路デバイス。

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