JP6131285B2 - 光導波路素子 - Google Patents

Description

この発明は、波長の相違に基づき光の経路を切り換える光導波路素子に関する。

近年、小型化や量産性に有利な光デバイスの開発に当たり、Ｓｉ（シリコン）を細線導波路の材料として用いるＳｉ細線導波路が注目を集めている。

Ｓｉ細線導波路では、実質的に光の伝送路となる光導波路コアを、Ｓｉを材料として形成する。そして、Ｓｉよりも屈折率の低い例えばシリカ等を材料としたクラッドで、光導波路コアの周囲を覆う。このような構成により、光導波路コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きくなるため、光導波路コア内に光を強く閉じ込めることができる。その結果、曲げ半径を例えば１μｍ程度まで小さくした、小型の曲線導波路を実現することができる。そのため、電子回路と同程度の大きさの光回路を作成することが可能であり、光デバイス全体の小型化に有利である。

また、Ｓｉ細線導波路では、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の半導体装置の製造過程を流用することが可能である。そのため、チップ上に電子機能回路と光機能回路とを一括形成する光電融合（シリコンフォトニクス）の実現が期待されている。

ところで、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）方式を利用した受動型光加入者ネットワーク（ＰＯＮ：Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）では、加入者側装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）毎に異なる受信波長が割り当てられる。局側装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ）は、各ＯＮＵへの下り光信号を、送り先の受信波長に対応した送信波長でそれぞれ生成し、これらを多重して送信する。各ＯＮＵは、複数の波長で多重された下り光信号から、自身に割り当てられた受信波長の光信号を選択的に受信する。ＯＮＵでは、各々の受信波長の下り光信号を選択的に受信するために、例えば特定の波長を分離する波長フィルタとしての機能が付与された光導波路素子（以下、波長分離素子とも称する）が使用される。そして、この波長分離素子を、上述したＳｉ細線導波路によって構成する技術が実現されている。Ｓｉ細線導波路を用いる波長分離素子としては、例えば、光の干渉現象を利用する波長分離素子がある（例えば特許文献１、非特許文献１及び２参照）。

ここで、Ｓｉ細線導波路を用いた波長分離素子には、偏波依存性があるという欠点がある。偏波依存性を解消する手法として、偏波分離素子を利用する手法がある（例えば非特許文献２参照）。この場合には、偏波分離素子によってＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏波とＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏波とを分離する。そして、偏波分離後のＴＥ偏波に対して、ＴＥ偏波に最適化した波長分離素子を、及びＴＭ偏波に対して、ＴＭ偏波に最適化した波長分離素子を、それぞれ用いて波長分離を行う。

また、偏波依存性を解消する他の手法として、波長分離素子の設計寸法を、偏波無依存となるように合わせ込む手法がある（例えば非特許文献３参照）。

特開２００９−１９８９１４号公報

Technical digest OFC/NFOEC 2010, paper OWJ3, 2010年3月 Optics Express vo1. 20, p.B493, 2012年12月10日 Proceedings of SPIE No.647602, 2007年

しかしながら、偏波分離素子を利用する手法では、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波のそれぞれに対して波長分離素子を用意する必要がある。そのため、回路規模の小型化に不利である。

一方、波長分離素子の設計寸法を合わせ込む手法では、設計が煩雑であり、かつ高度な作製精度が要求される。

この発明の目的は、容易に製造可能であり、かつ偏波無依存の波長分離素子に適用可能な光導波路素子を提供することにある。

発明者は鋭意研究した結果、光導波路コアを厚さ方向で重層構造とし、この光導波路コアを伝播するＴＥ偏波とＴＭ偏波とに互いに異なるモードを与えることによって、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の等価屈折率を一致させられることを見出した。

そこで、上述した課題を解決するために、この発明による光導波路素子は、以下の特徴を備えている。

この発明による光導波路素子は、重層光導波路コアを備えている。重層光導波路コアは、それぞれ互いに離間し重ねて形成された、複数の光導波路コアを含んでいる。重層光導波路コアは、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の一方の偏波を、厚さ方向で隣り合う２つの光導波路コアにおいて同位相の第２モードで伝播させる。また、重層光導波路コアは、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の他方の偏波を、厚さ方向で隣り合う２つの光導波路コアにおいて反対位相の第１モードで伝播させる。そして、重層光導波路コアでは、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の等価屈折率が一致する。また、重層光導波路コアは、主導波路部と複数の出力部とを含んで構成される。主導波路部は、一端に、入射光を波長毎に異なる反射角で反射するグレーティングが形成され、複数の出力部は、主導波路部の他端において、グレーティングからの各波長の反射光が集光される位置に、波長毎に対応して接続されている。

この発明の光導波路素子では、伝播するＴＥ偏波及びＴＭ偏波の等価屈折率が一致するように、重層光導波路コアが設計される。その結果、重層光導波路コアを偏波無依存の光導波路コアとして使用することができる。従って、この重層光導波路コアを用いて波長分離素子を構成することによって、偏波無依存の波長分離素子を実現することができる。

また、この発明の光導波路素子は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用することによって、容易に製造することができる。

（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、この発明の光導波路素子を示す概略図である。 重層光導波路コアにおける、下部光導波路コア及び上部光導波路コア間の離間距離と、等価屈折率との関係を示す図である。 重層光導波路コアにおける、波長と等価屈折率との関係を示す図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（構成）
図１を参照して、この発明の実施の形態による光導波路素子について説明する。図１（Ａ）は、光導波路素子を示す概略的平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩ−Ｉ線で切り取った概略的端面図である。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線で切り取った概略的端面図である。なお、図１（Ａ）では、後述するクラッド層を透明として示してある。また、図１（Ｂ）及び（Ｃ）では、ハッチングを省略している。

なお、以下の説明では、支持基板の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。また、厚さ方向に直交する面の方向を平面とする。また、光の伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、長さ方向及び厚さ方向に直交する方向を幅方向とする。

光導波路素子１００は、支持基板１０、クラッド層２０及び重層光導波路コア３０を備えて構成されている。

支持基板１０は、例えば単結晶Ｓｉを材料とした平板状体で構成されている。

クラッド層２０は、支持基板１０上に、支持基板１０の上面１０ａを被覆し、かつ光導波路コア３０を包含して形成されている。クラッド層２０は、例えばＳｉＯ_２を材料として形成されている。

重層光導波路コア３０は、それぞれ互いに離間し、厚さ方向に重ねて形成された複数の光導波路コアを含んで構成されている。ここでは、下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０の２つの光導波路コアを重ねて形成した構成例について説明する。

下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０は、クラッド層２０よりも高い屈折率を有する例えばＳｉを材料として形成されている。下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０との間は、クラッド層２０で埋め込まれている。また、下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０は、平面形状及び平面的な位置を一致させて形成されている。その結果、これら下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０を含む重層光導波路コア３０は、実質的な光の伝送路として機能し、入力された光が重層光導波路コア３０の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。また、伝播する光が支持基板１０へ逃げるのを防止するために、下部光導波路コア４０が、支持基板１０から例えば少なくとも１〜３μｍ程度の範囲内の距離で離間して形成されているのが好ましい。

また、重層光導波路コア３０は、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の一方の偏波を、厚さ方向で隣り合う２つの光導波路コアにおいて同位相のモードで伝播させる。また、重層光導波路コア３０は、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の他方の偏波を、厚さ方向で隣り合う２つの光導波路コアにおいて反対位相のモードで伝播させる。

ここでは、ＴＥ偏波は、下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０の２つの光導波路コアにおいて、反対位相のモード（以下、第１モードと称する）で伝播する。また、ＴＭ偏波は、下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０の２つの光導波路コアにおいて、同位相のモード（以下、第２モードと称する）で伝播する。図１に示す構成例では、重層光導波路コア３０が、厚さの等しい２つの光導波路コア（下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０）で形成されている。そのため、ＴＥ偏波の第１モードは、長さ方向に沿った中心軸に対して、モード分布が反対称である、反対称モードとなる。また、ＴＭ偏波の第２モードは、長さ方向に沿った中心軸に対して、モード分布が対称である、対称モードとなる。

このようにＴＥ偏波及びＴＭ偏波の各モードを設定することによって、この実施の形態では、伝播するＴＥ偏波及びＴＭ偏波の等価屈折率が一致するように、重層光導波路コア３０を設計できる。その結果、重層光導波路コア３０を偏波無依存とすることができる。なお、重層光導波路コア３０の具体的な設計については後述する。

重層光導波路コア３０は、主導波路部３１及び複数の入出力部３５を含んでいる。図１（Ａ）の構成例では、重層光導波路コア３０が、複数の入出力部３５として５つの入出力部３５ａ〜３５ｅを含んでいる。

ここでは、複数の入出力部３５のうちの１つの入出力部３５ａから、複数の異なる波長を含む光が入力される。そして、主導波路部３１において光を波長分離する。分離された光は、波長毎に対応する入出力部３５ｂ〜３５ｅから出力される。なお、以下の説明において、入出力部３５ａを入力部３５ａとも称する。また、入出力部３５ｂ〜３５ｅを出力部３５ｂ〜３５ｅとも称する。

主導波路部３１は、入力される光の幅方向で光が自由空間的に伝搬するスラブ導波路として構成されている。

主導波路部３１の一端３１ａには、エシェル型グレーティング３３が形成されている。また、主導波路部３１は、他端３１ｂにおいて入力部３５ａ及び出力部３５ｂ〜３５ｅの各々と接続されている。

入力部３５ａから主導波路部３１に入力される光は、エシェル型グレーティング３３で反射される。エシェル型グレーティング３３は、入射光を波長毎に異なる反射角で反射する。従って、エシェル型グレーティング３３からの反射光は、主導波路部３１の他端３１ｂにおいて、波長毎に異なる位置に集光され出力される。なお、エシェル型グレーティング３３における反射をより確実にするため、エシェル型グレーティング３３が形成された、主導波路部３１の一端３１ａを、金属製のミラーで被覆することもできる。

上述したように、主導波路部３１を含む重層光導波路コア３０は、伝播するＴＥ偏波及びＴＭ偏波の等価屈折率が一致するように設計されて、偏波無依存化されている。従って、エシェル型グレーティング３３からの反射光は、主導波路部３１の他端３１ｂにおいて、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波ともに、波長毎に異なる共通の位置に集光される。

入出力部３５ａ〜３５ｅは、それぞれ主導波路部３１の他端３１ｂと接続されている。特に、出力部３５ｂ〜３５ｅは、主導波路部３１の他端３１ｂにおいて、エシェル型グレーティング３３からの各波長の反射光が集光される位置に、波長毎に対応して接続されている。従って、エシェル型グレーティング３３からの反射光を、それぞれの波長に対応する出力部３５ｂ〜３５ｅに送ることができる。

入出力部３５ａ〜３５ｅは、それぞれ入出力ポート３７と細線導波路部３９を含んでいる。入出力ポート３７は、例えばグレーティングとして形成することができる。図１（Ｃ）では、入出力部３５ａ〜３５ｅを構成する重層光導波路コア３０の下部光導波路コア４０にグレーティング４１が形成された構成例を示している。

入力部３５ａでは、グレーティング４１が、平面方向に交わる方向から入力される光を回折し、細線導波路部３９を伝播する光と結合する。また、このグレーティング４１において、入力光のＴＥ偏波が上述の第１モードに変換され、及び入力光のＴＭ偏波が上述の第２モードに変換される。一方、出力部３５ｂ〜３５ｅでは、グレーティング４１が、細線導波路部３９を伝播する光を回折し、平面方向に交わる方向に出力する。

細線導波路部３９は、入出力ポート３７と主導波路部３１との間を接続する。細線導波路部３９は、入力される光の幅方向のモードについて、基本モードを伝播させるシングルモード導波路として構成される。

以上に説明したように、光導波路素子１００では、伝播するＴＥ偏波及びＴＭ偏波の等価屈折率が一致するように、重層光導波路コア３０が設計される。その結果、重層光導波路コア３０を偏波無依存とすることができる。そして、この重層光導波路コア３０を用いて、例えば上述したエシェル型グレーティング３３を利用した波長分離素子を構成することによって、偏波無依存で波長分離を行うことができる。

（設計例）
発明者は、上述した重層光導波路コア３０の好適な設計を見出すために、有限要素法を用いてシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０の厚さＴ１及びＴ２がともに２００ｎｍである場合、及びともに３００ｎｍである場合において、第１モードのＴＥ偏波及び第２モードのＴＭ偏波の等価屈折率が一致する、下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０間の離間距離Ｇを見出した。なお、ここでは、１５５０ｎｍの光に対してシミュレーションを行った。

シミュレーションの結果を図２に示す。図２は、重層光導波路コア３０における、下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０間の離間距離Ｇと、等価屈折率との関係を示す図である。図２では、縦軸に等価屈折率を任意単位で、また、横軸に下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０間の離間距離Ｇをｎｍ単位でとって示してある。なお、図２において、曲線２０１は、下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０の厚さＴ１及びＴ２がともに２００ｎｍである場合の、第１モードのＴＥ偏波の等価屈折率を示している。また、曲線２０３は、下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０の厚さＴ１及びＴ２がともに２００ｎｍである場合の、第２モードのＴＭ偏波の等価屈折率を示している。また、曲線２０５は、下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０の厚さＴ１及びＴ２がともに３００ｎｍである場合の、第１モードのＴＥ偏波の等価屈折率を示している。また、曲線２０７は、下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０の厚さＴ１及びＴ２がともに３００ｎｍである場合の、第２モードのＴＭ偏波の等価屈折率を示している。

図２に示すように、下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０の厚さＴ１及びＴ２がともに２００ｎｍである場合には、離間距離Ｇを４７ｎｍに設計することで、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の等価屈折率が一致する。また、下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０の厚さＴ１及びＴ２がともに３００ｎｍである場合には、離間距離Ｇを３５ｎｍに設計することで、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の等価屈折率が一致する。

このように、下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０の厚さＴ１及びＴ２、並びに離間距離Ｇを適宜設計することによって、重層光導波路コア３０を伝播する第１モードのＴＥ偏波及び第２モードのＴＭ偏波の等価屈折率を一致させることができる。

次に、発明者は、重層光導波路コア３０の波長依存性を確認するシミュレーションを行った。ここでは、上述した条件のうち、下部光導波路コア４０及び上部光導波路コア５０の厚さＴ１及びＴ２がともに３００ｎｍ、及び離間距離Ｇが３５ｎｍである場合の設計例における波長依存性を確認した。

シミュレーションの結果を図３に示す。図３は、重層光導波路コア３０における、入力される光の波長と、等価屈折率との関係を示す図である。図３では、縦軸に等価屈折率を任意単位で、また、横軸に波長をｎｍ単位でとって示してある。なお、図３において、曲線３０１は、第１モードのＴＥ偏波の等価屈折率を示している。また、曲線３０３は、第２モードのＴＭ偏波の等価屈折率を示している。

図３に示すように、シミュレーションを行った波長帯域においては、第１モードのＴＥ偏波と第２モードのＴＭ偏波との等価屈折率差は、大きくとも１％程度に収まった。従って、重層光導波路コア３０における波長依存性が十分に小さいことがわかった。

（製造方法）
光導波路素子１００は、ＳＯＩ基板を利用することによって、容易に製造することができる。

すなわち、まず、支持基板層、ＳｉＯ_２層（第１ＳｉＯ_２層）、及びＳｉ層（第１Ｓｉ層）が順次積層されて構成されたＳＯＩ基板を用意する。このＳＯＩ基板のＳｉ層上に、例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、ＳｉＯ_２層（第２ＳｉＯ_２層）及びＳｉ層（第２Ｓｉ層）を順次に形成する。

次に、例えばフォトリソ技術及びエッチング技術を用いて、第１Ｓｉ層、第２ＳｉＯ_２層及び第２Ｓｉ層をパターニングする。このパターニングによって、第１Ｓｉ層から下部光導波路コア４０が、また、第２Ｓｉ層から上部光導波路コア５０が、それぞれ形成される。

次に例えばＣＶＤ法を用いて、パターニングによって形成された下部光導波路コア４０、第２ＳｉＯ_２層、及び上部光導波路コア５０を被覆するＳｉＯ_２層（第３ＳｉＯ_２層）を形成する。これによって、第１ＳｉＯ_２層、第２ＳｉＯ_２層及び第３ＳｉＯ_２層からなるクラッド層２０が形成される。その結果、図１に示す光導波路素子１００が形成される。

このように、光導波路素子１００は、ＳＯＩ基板を利用し、周知の技術を用いて層の形成及びパターニングを行うことで、容易に製造できる。

１０：支持基板
２０：クラッド層
３０：重層光導波路コア
３１：主導波路部
３５：入出力部
４０：下部光導波路コア
５０：上部光導波路コア
１００：光導波路素子

Claims (2)

1. それぞれ互いに離間し重ねて形成された複数の光導波路コアを含む重層光導波路コアを備え、
   前記重層光導波路コアは、
   ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の一方の偏波を、厚さ方向で隣り合う２つの光導波路コアにおいて同位相の第２モードで伝播させ、及び
   ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の他方の偏波を、厚さ方向で隣り合う２つの光導波路コアにおいて反対位相の第１モードで伝播させ、
   前記重層光導波路コアでは、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の等価屈折率が一致し、
   前記重層光導波路コアは、主導波路部と複数の出力部とを含んで構成され、
   前記主導波路部は、一端に、入射光を波長毎に異なる反射角で反射するグレーティングが形成され、
   前記複数の出力部は、前記主導波路部の他端において、前記グレーティングからの各波長の反射光が集光される位置に、波長毎に対応して接続されている
   ことを特徴とする光導波路素子。
2. 前記第１モードは、光の伝播方向に沿った中心軸に対して、モード分布が反対称である、反対称モードであり、
   前記第２モードは、光の伝播方向に沿った中心軸に対して、モード分布が対称である、対称モードである
   ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。

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