JP5697778B1 - 基板型光導波路素子 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、以下の全ての図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
先ず、本発明の一実施形態として、例えば図1(A),(B)に示す基板型光導波路素子1について説明する。なお、図1(A)は、基板型光導波路素子1を示す平面図であり、図1(B)は、図1(A)中に示す線分Z1−Z1による基板型光導波路素子1の断面図である。
次に、半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器について説明する。
なお、以下の説明では、上記基板型導波路素子1と同等の部位については、必要に応じて図面等において同じ符号を付すものとする。
なお、以下の説明では、結合対象のTE0モードの光が導波する第1の導波路3を「導波路1」、結合対象のTE1モードの光が導波する第2の導波路4を「導波路2」と呼ぶ。
次に、半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器と、矩形導波路を利用したテーパ化方向性結合器及びリブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器とを比較する。
次に、本発明による効果について説明する。
[効果1]
本発明による効果1としては、テーパ化方向性結合器において半リブ導波路を利用した場合は、デバイス長を短くし、更なる小型化が可能であることが挙げられる。上述したように、変換効率を同じにした場合のテーパ長は、半リブ導波路が最も短くなるため、デバイス長の短尺化が可能である。
本発明による効果2としては、広い波長帯域で高効率なモード変換が可能であることが挙げられる。その理由は、次の2つの理由による。
本発明による効果3としては、製造誤差に対しても強く、高い変換効率を維持できることが挙げられる。例えば、導波路の幅(リブ部の幅)について、実際に作製したものが、製造誤差により導波路の幅の設計値よりずれる場合がある。つまり、所定の導波路サイズにおいて結合対象の2つのモードの実効屈折率を同程度となるように設計していても、実際に製造したものはそうなっていない場合がある。
本発明による効果4としては、モード多重が可能になることが挙げられる。すなわち、導波路2の入力側から入力されたモード変換に寄与しないTE0モードの光は、テーパ化方向性結合器でモード変換されずに、導波路1側に移ることなく、そのまま導波路2の出力側へと出力される。これにより、導波路1から導波路2へのモード変換によって生じたTE1モードの光と、導波路2に入力されたTE0モードの光とを、導波路2から同時に出力することができる。
本発明による効果5としては、上述したTE0モードからTE1モードへのモード変換に限らず、その他の異なるモード間でのモード変換が可能なことが挙げられる。すなわち、隣接する2つの導波路の所望のモードの実効屈折率が交差するようにテーパ化することで、同様の効果が得られる。このとき、半リブ導波路を利用していることから、従来の矩形導波路やリブ導波路よりも大きな結合係数χが得られ、デバイス長を短くすることができる。
本発明による効果6としては、リブ型位相変調部を備えた光変調器や、その他のリブ導波路を有する光導波路素子との集積が容易な構造となっていることが挙げられる。すなわち、本発明では、リブ部とスラブ部の高さは変えずに、リブ部の幅を変えることで、テーパ化方向性結合器を作製することが可能である。このため、リブ型位相変調部のリブ導波路のスラブ部の高さとリブ部の高さに合わせて、同一のものを設計することが可能である。また、リブ型位相変調部と同一のエッチングプロセスが適用できるため、一括作製することが可能である。さらに、他のリブ導波路を有する光導波路素子との集積が容易という大きな効果がある。
本発明による効果7としては、半リブ導波路の場合、リブ部の幅方向の片側にスラブ部があることから、リブ部のスラブ部が設けられた側の側壁部分の面積が小さくなる。このため、従来のリブ部のみからなる矩形導波路よりも製造誤差で生じる導波路の側壁の荒れによる影響(光散乱による損失増大)が小さいことが挙げられる。
<基板型光導波路素子>
次に、本発明の第1の実施形態として図32(A),(B)に示す基板型光導波路素子101について説明する。なお、図32(A)は、基板型光導波路素子101を示す平面図であり、図32(B)は、図32(A)中に破線で示す囲み部分Cにおける基板型光導波路素子101の断面図である。また、以下の説明では、上記図1(A),(B)に示す基板型光導波路素子1と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
<基板型光導波路素子>
次に、第2の実施形態として図33(A),(B),(C)に示す基板型光導波路素子101Aについて説明する。なお、図33(A)は、基板型光導波路素子101Aを示す平面図であり、図33(B)は、基板型光導波路素子101Aが備えるテーパ導波路106を示す平面図、図33(C)は、テーパ導波路107の変形例を示す平面図である。
<基板型光導波路素子>
次に、第3の実施形態として図34(A),(B)に示す基板型光導波路素子101Cについて説明する。なお、図34(A)は、基板型光導波路素子101Cを示す平面図であり、図34(B)は、図34(A)中に示す線分Z2−Z2による基板型光導波路素子101Cの断面図である。また、以下の説明では、上記基板型光導波路素子1と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
<偏波変換素子>
次に、第4の実施形態として図38に示す偏波変換素子50について説明する。
なお、図38は、偏波変換素子(基板型光導波路素子)50の一例を示す模式図である。
<偏波変換素子>
次に、第5の実施形態として図39に示す偏波変換素子について説明する。
なお、図39は、偏波変換素子60の一例を示す模式図である。
<偏波多重4値位相(DP−QPSK:Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying)変調器>
次に、第6の実施形態として図41に示すDP−QPSK変調器20について説明する。なお、図41にDP−QPSK変調器の一例を示す模式図である。
<コヒーレント受信機>
次に、第7の実施形態として図42に示すコヒーレント受信機30について説明する。なお、図42は、コヒーレント受信機30の一例を模式図である。
本発明の基板型光導波路素子は、例えば、参考文献[2](C. Doerr, et al., "Packaged Monolithic Silicon 112-Gb/s Coherent Receiver," IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 23, p.p. 762, 2011)で開示されているような、TE0モードとTM0モードを同時に伝送した偏波多重信号のSi光導波路上の偏波ダイバーシティ・コヒーレント受信機に使用することが可能である。
<偏波ダイバーシティ>
次に、第8の実施形態として図43に示す偏波ダイバーシティについて説明する。
なお、図43は、偏波ダイバーシティ40の一例を模式図である。
本発明の基板型光導波路素子は、例えば、参考文献[4](Hiroshi Fukuda, et al.,"Silicon photonic circuit with polarization diversity," Optics Express, Vol. 16, No. 7, 2008)で開示されているような、TE0モードとTM0モードが同時に伝送される偏波多重伝送や、片方の偏波がランダムに伝送されるときに、両モードに対して同様の操作を与えるための素子を利用したい場合、偏波ダイバーシティ方式を実行するために用いることができる。
偏波変換素子46には、DP−QPSK変調器と同様に、偏波変換と偏波ビームコンバイナが同時に行える本発明の偏波変換素子を用いることができる。
なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記テーパ化方向性結合器では、リブ部7,8の間隔(スラブ部9の幅)が長さ方向において一定なっているが、その途中で幅が変化していてもよい。
101,101A,101B,101C…基板型光導波路素子 102…第1の直線導波路 103…第1の曲げ導波路 104…第2の曲げ導波路 105…第2の直線導波路 106,107…テーパ導波路 108…第1の曲げ導波路 109…第2の曲げ導波路 110…幅狭部 111…縮幅部 112…拡幅部
50,60…偏波変換素子(基板型光導波路素子) 51,61…高次偏波変換部(高次偏波変換素子)
20…DP−QPSK変調器 30…コヒーレント受信機 40…偏波ダイバーシティ
Claims (15)
- 基板の上に、互いに並列した第1の導波路及び第2の導波路を形成するコアと、前記コアを覆うと共に前記コアよりも屈折率が小さいクラッドと、を備える基板型光導波路素子であって、
前記コアは、前記第1の導波路を形成する第1のリブ部と、前記第2の導波路を形成する第2のリブ部と、前記第1のリブ部及び前記第2のリブ部よりも小さい厚みで前記第1のリブ部と前記第2のリブ部との幅方向の片側のみに設けられ、前記第1のリブ部と前記第2のリブ部との間で共有されるスラブ部と、を有し、
前記第1の導波路と前記第2の導波路とは、それぞれの入力側と出力側との間に前記入力側から入力された光のモードを前記光のモードとは異なるモードに変換するモード変換部を有し、
前記モード変換部は、前記第1の導波路と前記第2の導波路との間でモード結合が生じる導波路構造を有し、
前記第1の導波路における第1の導波モードと、前記第2の導波路における第2の導波モードとの実効屈折率が、前記導波路構造における光の伝搬方向に垂直な少なくとも一断面において一致し、
且つ、前記一断面を挟んで前記第1の導波モードの実効屈折率と、前記第2の導波モードの実効屈折率との大小関係が、それぞれの入力側と出力側との間で入れ替わることを特徴とする基板型光導波路素子。 - 電界が前記基板の面内方向となるTEモードのうち(n,mは自然数を表す。但し、m>nである。)、前記第1の導波モードは、n番目に大きい実効屈折率を有するTE(n−1)モードであり、前記第2の導波モードは、m番目に大きい実効屈折率を有するTE(m−1)モードであることを特徴とする請求項1に記載の基板型光導波路素子。
- n=1、m=2であることを特徴とする請求項2に記載の基板型光導波路素子。
- 前記モード変換部において、前記第1のリブ部の幅が光の導波方向に沿って連続的に小さくなり、前記第2のリブ部の幅が光の導波方向に沿って連続的に大きくなることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
- 前記モード変換部において、前記スラブ部の幅が長さ方向において一定であることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
- 前記モード変換部は、前記スラブ部の幅が最も小さくなる幅狭部と、入力側から前記幅狭部に向かって前記スラブ部の幅が連続的に小さくなる縮幅部と、前記幅狭部から出力側に向かって前記スラブ部の幅が連続的に大きくなる拡幅部とを有することを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
- 前記スラブ部、前記第1のリブ部及び前記第2のリブ部の厚みが長さ方向において一定であることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
- 前記第1のリブ部及び前記第2のリブ部の厚みが等しいことを特徴とする請求項4〜7の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
- 前記コアは、前記モード変換部の入力側と出力側との何れか一方側又は両側に曲げ導波路を有し、
前記曲げ導波路は、前記第1のリブ部と前記第2のリブ部との少なくとも一方又は両方を面内で曲げることによって、前記第1のリブ部と前記第2のリブ部との間の間隔が光の導波方向に沿って連続的に大きくなる又は小さくなる形状を有することを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。 - 前記コアは、前記モード変換部の入力側と出力側との何れか一方側又は両側にテーパ導波路を有し、
前記テーパ導波路は、前記第1のリブ部の前記第2のリブ部と対向する側の側面に連続して設けられた第1のスラブ部と、前記第2のリブ部の前記第1のリブ部と対向する側の側面に連続して設けられた第2のスラブ部とを有し、
前記第1のスラブ部と前記第2のスラブ部とは、前記スラブ部に連続して設けられ、且つ、それぞれの幅が前記スラブ部に向かって連続的に大きくなる形状を有することを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。 - 前記コアがSiを含み、前記クラッドがSiO2を含むことを特徴とする請求項1〜10の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
- 前記コアは、前記モード変換部の出力側に位置して、前記第2の導波路に接続された高次偏波変換部を有し、
前記高次偏波変換部は、前記第2の導波路から出力されたTE1モードで導波する光を、磁界が前記基板の面内方向となるTMモードのうち、1番目に大きい実効屈折率を有するTM0モードで導波する光にモード変換して出力することを特徴とする請求項3〜11の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。 - 請求項1〜12の何れか一項に記載の基板型光導波路素子を用いた偏波多重4値位相変調器。
- 請求項1〜12の何れか一項に記載の基板型光導波路素子を用いたコヒーレント受信機。
- 請求項1〜12の何れか一項に記載の基板型光導波路素子を用いた偏波ダイバーシティ。
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