JP6663145B2 - 光方向性結合器 - Google Patents

Description

本発明は、光方向性結合器に関し、より具体的には、偏波依存性が無いかほとんど無い光方向性結合器に関する。

光を分岐したり結合したりする基本素子の一つとして２本の光導波路を並べた構造をもつ光方向性結合器と呼ばれる素子がある。これを用いて光スイッチや波長合分波器などが構成されている。光方向性結合器は、他の構造、例えば多モード干渉カプラー等と比べて光の損失が小さい利点がある。光方向性結合器は、石英や半導体(例えばシリコンなど)で形成される光集積回路において、矩形の断面をもつ光導波路からなり、同一平面上に構成されている。

例えば、特許文献１は、第１及び第２の光導波路１３、１４において結合長Ｌの光方向性結合器１２部を備える光合分波装置を開示するが、方向性結合器１２部での２つの光導波路は同一平面上に形成されている。

光通信に用いられる光には２つの直交する偏波成分(ＴＥモード、ＴＭモード)があり、これらの２つのどちらの成分の光に対しても同じ特性を示すことが求められる。しかし、方向性結合器において、例えば特許文献１に記載されるように、２本の導波路を同じ面内で並べるだけではその同じ特性を実現することはできない。それは２つの偏波成分の電磁界分布が異なることが原因である。

特開平１１−６９３１号公報

したがって、２つの偏波成分(ＴＥモード、ＴＭモード)の光に対して同じ特性を示す光方向性結合器が求められている。
本発明の目的は、偏波依存性が無いかほとんど無い光方向性結合器を提供することである。

本発明では、各々が９０度回転対称性のある断面をもつ２つの光導波路を、所定の間隔を空けて断面が４５度鏡面対称となるように配置したことを特徴とする光方向性結合器を提供する。

本発明の光方向性結合器によれば、伝搬する異なる偏向成分(ＴＥモードとＴＭモード)の光に対する分岐比をほぼ同一とすることができる。すなわち、偏波依存性が無いかほとんど無い光方向性結合器を得ることができる。

本発明の一態様の光方向性結合器では、２つの光導波路の断面の向い合う頂点間の間隔が所定の間隔(長さ)を有することができる。また、２つの光導波路は、同一な断面及び長さを有することができる。

本発明の一態様の光方向性結合器によれば、２つの光導波路の断面の向い合う頂点間の間隔を所定の間隔(長さ)として設定し、それに対応した光導波路の長さを設定(選択)することにより、光の分岐比を１：１に設定(維持)することが可能となる。

本発明の一態様の光方向性結合器では、２つの光導波路は、基板上に設けられた第１光導波路と第２光導波路からなり、第２光導波路は、第１光導波路から４５度斜め上方に位置することができる。また、第１光導波路は、基板上の第１屈折率を有する第１クラッド層中にあり、第２光導波路は、第１クラッド層上の第１屈折率を有する第２クラッド層中にあり、第１光導波路と第２光導波路は、いずれも第１屈折率より大きな屈折率を有することができる。

本発明の一態様の光方向性結合器によれば、２つの光導波路を基板上の積層構造とすることができ、その集積化を図ることが可能となる。

本発明の一態様の光方向性結合器では、基板はシリコン基板を含み、第１クラッド層と第２クラッド層はいずれも酸化シリコン層を含み、第１光導波路と第２光導波路はいずれも酸化シリコン層中に設けられた開口に充填されたシリコン層を含むことができる。

本発明の一態様の光方向性結合器によれば、汎用的な半導体(例えばシリコン)プロセスを用いて、光方向性結合器の形成及びその集積化を図ることが可能となる。

本発明の一実施形態の光方向性結合器の構成を示す図である。 従来の光方向性結合器の構成と偏波光の電解向きを示す図である。 本発明の一実施形態の光方向性結合器の構成と偏波光の電解向きを示す図である。 従来の光方向性結合器の等価屈折率を示す図である。 本発明の一実施形態の光方向性結合器の等価屈折率を示す図である。

図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態の光方向性結合器の構成を示す図である。図１の(ａ)は、本発明の一実施形態の光方向性結合器を構成する２つの光導波路１、２を斜め上方から見た斜視図である。図１の(ｂ)は２つの光導波路１、２の断面図である。(ａ)の配置から明らかなように、２つの光導波路１、２は、上下関係にある２つの異なる平面上(領域)に位置する。また、(ｂ)の断面から明らかなように、２つの光導波路１、２は、向き合う頂点間が所定の間隔(長さ)ｄを空けて、断面が４５度鏡面対称となるように配置される。光導波路１、２の各断面は、９０度回転対称の断面を有する。図１の例では、光導波路１、２は長さＬを有し、その各断面は１辺が長さａの正方形からなる。なお、光導波路１、２の断面形状は、正方形に限定されず、上記した４５度鏡面対称及び９０度回転対称の関係を満たす限りにおいて、任意の形状(例えば円形、六角形等)とすることができる。

図１の一実施形態の光方向性結合器では、(ａ)に例示されるように、光導波路１の一方(手前側)の端面への１つの入力光を光導波路１及び２の他方(後ろ側)の端面から出力１、出力２として分岐して出力させることができる。なお、図示はしていないが、図１の一実施形態の光方向性結合器では、例えば、光導波路１及び２の一方(手前側)の２つの端面への２つの入力光を光導波路１または２のいずれか一方の他方(後ろ側)の端面から１つの出力光(合成光)として出力させることもできる。

図２と図３を参照しながら、さらに従来の光方向性結合器の場合と比較しながら、図１にその構成が例示される本発明の光方向性結合器が偏波依存性を有しない理由(原理)について以下に説明する。偏波無依存になる原理は、２本の光導波路を伝搬するＴＥモードとＴＭモードの電磁界分布の重なり方を同じにすることにある。最初に、図２に示す従来の方向性結合器において光が伝搬する場合を考える。図２の従来の構成では、２本の光導波路１、２は同じ高さ(平面上)に位置している。光導波路１、２を伝搬する光は直交する二つのモードＴＥモードとＴＭモードに分かれて伝搬する。ここで、ＴＥモードは伝搬する光の主要な電界成分が光導波路断面の横方向(図２のｘ方向)を向いているもの、ＴＭモードはそれが高さ方向(図２のｙ方向)を向いているものとする。

まずＴＥモードを考える。左側の光導波路１を伝搬する光から見ると、自身の電界の向き(ｘ)に垂直な方向(ｙ)にもう一方の光導波路２が位置している(図２の左下図)。一方ＴＭモードでは、自身の電界の向き(ｙ)と同じ方向(ｙ)にもう一方の光導波路２が位置している(図２の右下図)。この違いにより、２本の光導波路１、２を伝搬する電磁界の重なり方がＴＥモードとＴＭモードで異なるため光の結合の強さが異なってしまう。その結果、偏波により方向性結合器の分岐比も異なってしまう。

次に、図３に示す本発明の一実施形態の光方向性結合器においてに光が伝搬する場合を考える。図３の本発明の構成では、図１を参照しながら既に説明したように、２本の光導波路１、２は異なる高さ(平面上)に位置しており、４５度の鏡面配置になっている。図２の場合と同様に、まずＴＥモードを考える。光導波路１を伝搬する光から見ると、主要な電界成分の方向(ｘ)に対して１３５度の位置にもう一方の光導波路２が位置している(図３の中段左図)。

次にＴＭモードを考える。光導波路１を伝搬する光から見ると、主要な電界成分の方向(ｙ)に対して４５度の位置にもう一方の光導波路２が位置している(図３の中段右図)。ここで、ＴＭモードの座標(右側)を９０度反時計回りに回転させてみると、その下側に示す図(座標)となり、ＴＭモードはＴＥモードと鏡面対称になっていることがわかる。そのため、電磁界分布がＴＥモードとＴＭモードで鏡面対称になり、電磁界分布の重なり方が同じになるため偏波無依存性が生じる。その結果、偏波により方向性結合器の分岐比は異なることがなく、ほとんど同一となる。

方向性結合器の分岐比がＴＥモードとＴＭモードで同じになるかどうかは、等価屈折率を計算することで確かめることができる。それは、等価屈折率Ｎと、方向性結合器の分岐比が１：１になる長さＬ_3dBとが次式(１)の関係を満たすからである。

ここで、λは波長、Ｎ_evenは偶モードの等価屈折率、Ｎ_oddは奇モードの等価屈折率である。

方向性結合器を伝搬する光は偶モードと奇モードに分かれるので、ＴＥモード、ＴＭモードそれぞれに偶モードと奇モードが存在する。ここで、偶モードは伝搬する光波電磁界(固有モード)が、対象軸に対して対称なモードを意味し、奇モードは対象軸に対して反対称なモードを意味する。等価屈折率と分岐比についてはさらに後述する。なお、分岐比と長さＬに関連する事項として、図１に例示した２つの光導波路１、２の断面の向い合う頂点間の間隔ｄを所定の長さに設定し、その長さに対応した光導波路の長さＬを設定(選択)することにより、光の分岐比を１：１に設定(維持)させることが可能である。

図１に例示される本発明の一実施形態の光方向性結合器は、いわゆる光回路、光集積回路の一部として、より具体的には基板上に積層化された構造として形成することができる。その場合、例えば、図１の下側の光導波路２は、基板上の第１屈折率ｎ１を有する第１のクラッド層中にあり、上側の光導波路１は、第１のクラッド層上に積層された第１屈折率ｎ１を有する第２のクラッド層中にあるように形成することができる。光導波路１、２は、いずれもコア層となるべく第１屈折率ｎ１より大きな屈折率を有することができる。光導波路１、２の屈折率は、同一の屈折率(ｎ２)または異なる屈折率(ｎ３、ｎ４)のいずれの場合であっても良い。

基板としては、例えば、光回路／光集積回路用の基板として利用可能なポリマー、石英、あるいは半導体(シリコン等)等からなる基板を用いることができる。基板上に、例えば従来からある半導体製造プロセス等を用いて、上述した光導波路(コア層)１と２、第１及び第２のクラッド層を形成することができる。例えば、シリコンプロセスを用いて、シリコン基板(ウェハ)上に、いずれも酸化シリコン(ＳｉＯ₂、ｎ１＝１.４４４)からなる第１及び第２のクラッド層を形成し、光導波路１、２を酸化シリコン層中に設けられた開口に充填されたシリコン(Ｓｉ、ｎ２＝３.４７８)層として形成することができる。

光導波路(コア層)とクラッド層の材料として、基本的に各屈折率が“ｎ２(ｎ３、ｎ４)＞ｎ１”の関係を満たす、ＳｉとＳｉＯ₂以外の他の任意の材料の組み合わせを利用して、本発明の光方向性結合器を形成することができる。すなわち、本発明の一実施形態の光方向性結合器で用いられる材料は、ＳｉとＳｉＯ₂の組み合わせに限定されることはない。また、光導波路１、２は、上記の屈折率の大小関係を満たす限りにおいて、同一の材料あるいは異なる材料を用いて形成することができる。例えば、光導波路１、２の材料の組み合わせとして、Ｓｉとポリマーを選択することができる。

図１に例示される本発明の一実施形態の光方向性結合器について、有限要素法解析で上述したＴＥモードとＴＭモードの等価屈折率を計算した。具体的には、Synopsis社製電磁界分布解析ソフト(RSoft FemSIM)を用いて等価屈折率の計算を行った。最初に解析モデルについて説明する。光導波路１、２は、断面の１辺ａが３００ｎｍの正方形で、長さＬは２１.５μｍであり、屈折率は、光導波路(コア)が３.４７８(Ｓｉを想定)、クラッド層 (コアの周囲)が１.４４４(ＳｉＯ₂を想定)とした。この光導波路を４５度鏡面対称に配置して、互いに最も近い頂点の間隔(ｄ)を４００ｎｍとした。次に解析条件について説明する。解析領域は、２本の光導波路１、２を結ぶ直線の中点を中心に横方向に±４μｍ、高さ方向に±２μｍとした。この解析領域を均一に５ｎｍのグリッドで分割した。

図５に本発明の一実施形態の光方向性結合器の等価屈折率の計算結果を示す。比較例として、図４に従来の光方向性結合器の等価屈折率の計算結果を示す。従来の光方向性結合器は、上記した本発明の一実施形態の解析モデル及び解析条件と基本的に同じで、２本の光導波路１、２の配置(同一平面)だけ変更してある。等価屈折率が２つの偏波で同じならば、その方向性結合器は両偏波において同じ分岐比を示す。方向性結合器は、既に上述したように、ＴＥ、ＴＭの各モードに対してそれぞれ２つのモード(偶モード、奇モード)が存在する。すなわち、ＴＥ偶、ＴＥ奇、ＴＭ偶、及びＴＭ奇の合計４つのモードが存在する。図４の従来の構造では、ＴＥモードとＴＭモードで等価屈折率が異なっており、その結果、偏波によって分岐比が異なることが推定される。一方、図５の本発明の構造では、ＴＥモードとＴＭモードで等価屈折率は等しくなっており、両偏波に対して同じ分岐比となることがわかる。

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

本発明の光方向性結合器は、光カプラー、光スイッチ、波長合分波器、光回路あるいは光集積回路として(その一部として)利用することができる。

１、２：光導波路

Claims (7)

1. 並行に伸びる２つの光導波路のいずれか一方の入力端からの入射光を２つの出力端の端面から分岐光として出力する、光方向性結合器であって、
   前記２つの光導波路は、９０度回転対称性のある方形な断面をもち、同一な長さを有し、異なる高さの平面上において所定の間隔を空けて、各々の断面の中心と向い合う頂点を結ぶ直線が、各光導波路が位置する平面に鉛直な方向となす角が４５度となるように配置され、
   前記所定の間隔は、前記直線上の前記向い合う頂点間の間隔であり、
   前記２つの光導波路の長さと前記所定の間隔は、前記分岐光の分岐比が１：１になるように設定される、光方向性結合器。
2. 前記２つの光導波路は、基板上に設けられた第１光導波路と第２光導波路からなり、前記第２光導波路を伝搬する光のＴＭモードの電界方向に対して４５度の位置に前記第１光導波路が位置する、請求項１に記載の光方向性結合器。
3. 前記第２光導波路を伝搬する光のＴＥモードの電界方向に対して１３５度の位置に前記第１光導波路が位置する、請求項２に記載の光方向性結合器。
4. 前記第１光導波路は、前記基板上の第１屈折率を有する第１クラッド層中にあり、前記第２光導波路は、前記第１クラッド層上の前記第１屈折率を有する第２クラッド層中にあり、前記第１光導波路と前記第２光導波路は、いずれも前記第１屈折率より大きな屈折率を有する、請求項２または３に記載の光方向性結合器。
5. 前記第１光導波路の屈折率と前記第２光導波路の屈折率は同一である、請求項４に記載の光方向性結合器。
6. 前記基板はシリコン基板を含み、前記第１クラッド層と前記第２クラッド層はいずれも酸化シリコン層を含み、前記第１光導波路と前記第２光導波路はいずれも前記酸化シリコン層中に設けられた開口に充填されたシリコン層を含む、請求項４または５に記載の光方向性結合器。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の光方向性結合器を少なくとも１つ以上含む、光集積回路。

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